高中化学电解池.doc

电解池
编稿：乔　震　　　　 审稿：祝　鑫　　　　 责编：宋　杰
【本节学习目标】
　　1、知道电解池的形成条件，正确叙述电解原理；
　　2、能正确判断电解池的阴、阳极；
　　3、能正确书写电极反应式和电解反应方程式；
　　4、了解氯碱工业、电镀工业、电冶金工业的化学原理。
　　学习重点：理解电解原理和以电解CuCl2溶液为例得出惰性电极作阳极时的电解的一般规律
　　学习难点：理解电解原理（本质）

【知识要点梳理】
知识点一：电解原理：
　　（通过外接电源将电能转变成化学能）
1、实验探究：

　　　　　　实验一　　　　　　　　　 实验二　　　　　　　　　　　 实验三
　　①实验一：将两根碳棒分别插进装有CuCl2溶液的U型管两端，浸入1分钟后，观察现象。
　　实验二：用导线连接两根碳棒后，并接上电流计，再分别插进装有CuCl2溶液的U型管的两端，观察电流计指针是否偏转和两极的变化。
　　实验三：在装有CuCl2溶液的U型管两端，插入两根碳棒作电极，并接上电流计，接通12V的直流电源，把湿润淀粉碘化钾试纸放在与直流电源正极相连的电极附近后，观察U型管内两极、溶液颜色、试纸颜色的变化和电流计指针是否偏转。
　　②实验现象及分析：实验一、二都无现象，实验三中与电源的负极相连的碳棒上有一层红色的固体析出，说明有铜生成；与电源的正极相连的碳棒上有气泡产生，并有刺激性气味，使湿润的淀粉碘化钾试纸变成了蓝色，说明有氯气生成；电流计指针发生偏转，说明电解质溶液导电；溶液的颜色逐渐变浅，说明Cu2+的浓度逐渐减小。
　　③实验注意事项：实验完毕后，把沾有浓NaOH溶液的棉花塞在U型管两端，吸收有害气体。
　　小结：通过以上三个实验，得出结论：CuCl2溶液通电时发生了化学变化，生成了Cu和Cl2，电流的作用是这种化学变化的直接原因和动力。

2、电解池：
　　①电解池的定义：借助于电流在两极发生氧化还原反应的装置，叫电解池或电解槽。电解池就是一种把电能转化为化学能的装置。
　　②电解池的电极名称：电解池的两极由电极与电源正、负极的连接情况直接判断。
　　　阴极：与电源的负极相连的电极；吸引溶液中的阳离子、得电子、还原反应。
　阳极：与电源的正极相连的电极，吸引溶液中的阴离子、失电子、氧化反应。
　　说明：阳极有惰性电极和活性电极之分，隋性电极只导电，不参与氧化还原反应(C、Pt、Au)；活性电极既导电又参与氧化还原反应(Cu、Ag等)。
　　③电解池的组成：
直流电源、电极、电解质溶液或熔融的电解质，用导线连接成闭合电路。
　　④电解池的工作原理：
　　在外加直流电源的作用下，使电解质溶液中的离子在阴阳两极引起氧化还原反应的过程，称为电解。电解质导电的过程就是电解。
　　电子从电源的负极流向电解池的阴极，溶液中的离子分别向两极做定向移动，阴极吸引溶液中的阳离子Cu2+、H+，Cu2+在阴极上得电子还原为铜；阳极吸引溶液中的阴离子Cl-、OH-，Cl-在阳极上失电子氧化为氯原子，氯原子结合成氯分子，失去的电子沿导线流回电源正极，从而构成闭合回路。这就是电解原理。
　　通电时，阴离子移向阳极，在阳极上失去电子发生氧化反应。阳离子移向阴极，在阴极得到电子发生还原反应。
　　通电前：CuCl2==Cu2+＋2Cl - 　　H2OH+ +OH -　 （电离） 　做无规则运动
　　通电后：与电源负极相连的碳棒吸引溶液中的阳离子（Cu2+、H+） Cu2+＋2e- == Cu（发生还原反应）
　　与电源正极相连的碳棒吸引溶液中的阴离子（Cl-、OH-）2Cl - -2e- == Cl2↑（发生氧化反应）
　　总反应式：CuCl2Cu+Cl2↑

3、离子的放电顺序：
　　阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电
　　①电解通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，在阴极区氧化性强的微粒先得电子，被还原。同时，电子又从电解池的阳流出，沿导线流回电源的正极，即在阳极区还原性强的微粒（包括电极）先失电子被氧化。
　　②阴极：阳离子在阴极上的放电顺序（得电子）大体可参照金属活动性顺序来推断。位于金属活动性顺序表后面的金属，其对应的阳离子越易得到电子。无论活性电极还是惰性电极都不参加反应，参加反应的是溶液中的阳离子。
　　Ag+> Hg 2+> Fe3+> Cu2+>H+> Pb 2+>Sn2+>Fe 2+>Zn2+>Al3+>Mg2+>Na+ >Ca 2+ >K+
　　位于前边的氧化性强的微粒优先得到电子。
　　③阳极：当电极材料（阳极）为 Pt 或C时，还原性非常弱，此条件不被氧化，称为惰性电极。当电极材料（阳极）为Cu等金属（除了Pt和C），还原性强，易失电子,易被氧化，称为活性电极。
　　若阳极是活泼或较活泼金属时，一般是电极的金属失去电子，而不是电解液中阴离子放电。
　　若阳极是惰性电极时，阴离子在阳极上的放电顺序（失e-）
　　S2->I->Br->Cl->OH->NO3->SO42-(等含氧酸根离子)>F- (SO32-/MnO4->OH-)
　　位于前边的还原性强的微粒优先失去电子。
　　说明：
　　(1)活泼金属离子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+在溶液中不会得到电子。
　　(2)F-、SO42-、CO32-、NO3-等在溶液中不会失去电子。
　　(3)当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生改变，当[Zn2+]>>[H+]或[Fe2+]>>[H+]时，Zn2+、Fe2+先得电子而H+后得电子。
　　(4)石墨和金属铂是惰性电极，不会得失电子。

知识点二：电解原理的应用
1、电解饱和食盐水：
　　用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极，电解饱和食盐水。溶液中存在的离子有Na+、Cl-、H+、OH-。根据放电的先后顺序，H+﹥Na+、Cl-﹥OH-，阳极电极反应式为2Cl--2e-=Cl2↑，阴极电极反应式为2H++2e-=H2↑。总反应式为：2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH。其中H2 、NaOH是阴极产物，Cl2是阳极产物。如电解前向溶液中滴加酚酞，随着电解反应的进行，溶液颜色由无色变为红色，两极极板上都有气体产生。

2、铜的电解精炼：
　　应用电解原理，进行粗铜的提纯。
　　①粗铜作阳极，纯铜作阴极，用CuSO4溶液(含铜离子的电解质溶液)作电解液。
　　②电极反应：阴极：Cu2+＋2e-＝Cu　　 阳极：Cu－2e-＝Cu2+
　　③比铜活泼的金属杂质——以阳离子形式进入溶液中；比铜不活泼的金属杂质(金银等贵重金属)——形成阳极泥，沉积在阳极底部。
　　说明：电解精炼铜过程中CuSO4溶液的浓度基本不变

3、电镀铜：
　　若把阴极精铜棒换成铁棒，电解过程不变，但不是精炼铜了，而叫电镀铜。
　　①电镀：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
　　②电镀材料的选择：阴极——镀件　 阳极——镀层金属　 电镀液——含有镀层金属离子的溶液

　　③电镀过程的特点：牺牲阳极；电镀液的浓度（严格说是镀层金属离子的浓度）保持不变；在电镀的条件下，水电离产生的H+、OH-一般不放电。
　　④实例：在铁制品上镀铜：阳极——铜　 阴极——铁制品　 电镀液——CuSO4溶液
　　阴极：Cu2++2e-＝Cu　　 阳极：Cu-2e-＝Cu2+
　　注意：电镀的目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加美观和表面硬度，但如果镀层被破坏，会增加金属的腐蚀速率。

4、电冶金：
　　用来冶炼活泼的金属（适用范围：活泼金属K~Al）
　　例：电解熔融氯化钠：2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
　　　　　　　　　阳极：2Cl--2e-=Cl2↑　　　 阴极：2Na++2e-=2Na
　　　　冶炼铝(Al2O3)：2Al2O34Al+3O2↑
　　　　　　　　 阳极：6O2--12e- =3O2↑ 　　阴极：4Al3+ + 12e- =4Al
　　注意：工业上用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝但不能用AlCl3，原因就是AlCl3是共价化合物，熔融状态下不导电。[规律方法指导]
一、电解与电离的区别：

电　离
电　解
条件
电解质溶于水或受热熔化状态
电解质电离后再通直流电
过程
电解质电离成为自由移动的离子
阴阳离子定向移动，在两极上失得电子成为原子或分子
特点
只产生自由移动的离子
发生氧化还原反应生成了新物质
联系
电解必须建立在电离的基础上

二、溶液导电与金属导电的区别：
　　从做定向移动的微粒和是否发生化学变化两个角度比较：
　　①金属导电是自由电子的定向移动，电解质溶液导电是阴、阳离子的定向移动；
　　②金属导电是物理变化，电解质溶液导电是非自发的化学变化；
　　③温度越高，金属导电性越弱、电解质溶液导电性越强；
　　④电解质溶液电解的过程就是电解质溶液导电的过程，电解质溶液导电的同时必定发生非自发的氧化还原反应。

三、原电池与电解池的比较及判断

原电池
电解池
能量转换
化学能转化为电能
电能转化为化学能
离子的迁移方向
阴离子向负极迁移
阳离子向正极迁移
阴离子向阳极迁移
阳离子向阴极迁移
发生氧化反应的电极
负极
阳极(连接电源正极)
发生还原反应的电极
正极
阴极(连接电源负极)
相同点(从原理分析)
都是氧化还原反应

　　池型的判断：有外接电源是电解池，无外接电源是原电池；多池组合时，一般含活泼金属的池为原电池，其余都是在原电池带动下的电解池。
　　电极的判断：原电池看电极材料，电解池看电源的正负极连接顺序。

四、电解池电极反应规律（阳氧阴还）
　　①阴极：得电子，还原反应。电极本身不参加反应，一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子
　　②阳极：失电子，氧化反应。若为金属（非惰性）电极，电极失电子；若为惰性电极，电解质溶液中阴离子“争”失电子

五、电解规律：
　　根据离子的放电顺序，采用惰性电极电解酸碱盐的水溶液时的规律。

1、电解水型：
　　电解某些含氧酸、强碱及活泼金属的含氧酸盐的水溶液时，实质是电解水。例：H2SO4、HNO3、KOH、NaOH、Na2SO4、KNO3、Na2CO3等物质的水溶液。电解完后加水可使溶液恢复原样。
　　2H2O2H2↑+O2↑
　　说明：电解水时加硫酸或氢氧化钠增强导电性，不影响水的电解。
　　电解硫酸和氢氧化钠时因为氧气溶解度大于氢气，H2和O2之比大于2

2、电解溶质型：
　　电解不活泼金属无氧酸盐、无氧酸的水溶液时，实质是电解电解质本身。电解完后加入溶质可使溶液恢复原样。
　　例：2HClH2↑+Cl2↑　　　　 CuCl2Cu+Cl2↑

3、放氧生酸型：
　　电解不活泼金属的含氧酸盐的水溶液时，阳极产生氧气，同时生成H+，阴极析出不活泼金属，电解质和水都参加反应。例：CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2等物质的水溶液。
　　2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4　 电解完后加入CuO或CuCO3可使溶液恢复原样。

4、放氢生碱型：
　　电解活泼金属（K、Ca、Na）的无氧酸盐的水溶液时，阴极产生氢气，阳极析出非金属单质，电解质和水都参加反应。例：NaCl、KBr、BaCl2等物质的水溶液。
　　2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH　 电解完后加入HCl可使溶液恢复原样。

六、电极反应式的书写
　　①分析溶液中存在的所有离子（包括水的电离）、并分成阳离子组和阴离子组。
　　②根据放电规律，阳离子在阴极发生还原反应，而阴离子在阳极发生氧化反应，完成电极反应式。（注意得失电子守恒）
　　③由阴阳两电极反应式，合并得总反应式。若已知一个电极反应式，可用总式减去已知的电极反应式，得另一电极反应式。
　　注意：弱电解质必须保持分子形式。

[经典例题透析]
类型一：电解原理、电极的判断
　　题1、图中x、y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板有无色无臭气体放出，符合a极板 b极板 x电极 z溶液的是 （　　 ）
　　A、锌 石墨 负极 CuSO4
　　B、石墨 石墨 负极 NaOH
　　C、银 铁 正极 AgNO3
　　D、铜 石墨 负极 CuCl2

　　思路点拨:考查电极的判断的知识，灵活运用题目所给信息。
　　解析：根据两电极质量的变化可判断出阴阳极。质量增加的一定是阴极。a极质量增加，a为阴极，即x极为负极，且电解液需有不活泼金属的阳离子，所以只能从A、D中选。在b极板上有无色无臭气体放出，D不符合（放出Cl2），所以只有A正确。
　　【答案】A
　　总结升华：在电解池中，阴极：得电子，发生还原反应，电极本身不参加反应，一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子；阳极：失电子，氧化反应，若为金属（非惰性）电极，电极失电子，若为惰性电极，电解质溶液中阴离子“争”失电子。
　　举一反三：
　　【变式1】某电解池内盛有Cu(NO3)2溶液，插入两根电极，接通直流电源后，欲达到如下要求：（1）阳极质量不变；（2）阴极质量增加；（3）电解液pH减小，则应选用的电极是（　 ）
　　A、阴极两极都用石墨　　　　　　　　　　　　　 B、铜作阳极铁作阴极
　　C、铁作阳极铜作阴极　　　　　　　　　　　　　 D、铂作阳极铜作阴极
　　解析：根据题目要求：阳极选择惰性电极、溶液中有不活泼金属的阳离子，电解实质是放氧生酸。
　　【答案】AD

　　【变式2】用石墨作电极，电解1mol/L下列物质的溶液，溶液的pH保持不变的是（　 ）
　　A、HCl　　　　 B、NaOH　　　　C、Na2SO4　　　 D、NaCl

　　【答案】C　考查电解的实质

类型二：电解后溶液浓度的变化
　　题2、用惰性电极电解下列溶液，电解一段时间后，阴极质量增加，电解液的pH下降的是（　 ）
　　A、CuCl2　　　　 B、AgNO3　　　　C、BaCl2　　　 D、H2SO4

　　思路点拨:考查电解的实质。
　　解析：A项为电解溶质，B项为放氧生酸，C项为放氢生碱，D项为电解水。
　　【答案】B
　　总结升华：做题的思路：明确溶液中存在那些离子；阴阳两极附近有那些离子；根据阳极氧化、阴极还原分析得出产物。根据原溶液的酸、碱性和电极产物可对电解后溶液的pH的变化作出正确的判断。若电极产物只有H2而无O2，则pH变大；若电极产物只有O2而无H2，则pH变小；若电极产物既有O2又有H2，原溶液呈酸性，则pH变小，原溶液呈碱性则pH变大，原溶液呈中性，则pH不变。
　　举一反三：
　　【变式3】常温时，将500 mL pH=5的CuSO4 溶液用石墨电极电解一段时间，测得溶液的pH变为2，若使溶液的浓度、pH与电解前相同，可采用的方法（　 ）。
　　A、向溶液中加入0.245g Cu(OH)2 　　　 　B、向溶液中加0.31g CuSO4
　　C、向溶液中加0.0025 mol H2SO4并加热　　D、向溶液中加0.2g CuO

　　【答案】D

类型三：有关电解的计算
　　题3、在25℃时，将2个铜电极插入到一定的Na2SO4饱和溶液中，通直流电电解并不断搅拌，当阴极上收集到a mol的气体的同时，溶液中析出了b mol的结晶水合物Na2SO4·10H2O，若保持温度不变，则所剩溶液中溶质的质量分数是( 　)
　　A、71b/18a　　　 B、71b/36a　　 C、71b/(161b+18a)　　 D、71b/(161b+9a)

　　思路点拨:准确分析阴阳极分别发生的反应，注意阳极是活性电极。
　　解析：电解发生的电极反应：阳极为Cu-2e-＝Cu2+，阴极为2H++2e-＝H2↑， 电解时总的化学反应方程式为：Cu+2H2OCu(OH)2+H2↑，阴极逸出a molH2，水被电解了2a mol，根据溶解度知识，求出答案。
　　【答案】C
　　总结升华：做题的关键：一定要分析清楚电极的材料、各电极的反应。如果将题中的铜电极换作惰性电极，只改一个字，其电解的总方程式即为：2H2O2H2↑+O2↑，阴极逸出a mol H2，水被电解了a mol，答案就成了D。所以提高审题的准确性是很必要。有关电解的计算：通常是求电解后某产物的质量、物质的量、气体的体积、某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。运用电子守恒原理解答。
　　举一反三：
　　【变式4】将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064g（设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化）。此时，溶液中H+浓度约为（　 ）
　　A、4×10-3mol/L　　 B、2×10-3 mol/L　　 C、1×10-3 mol/L　　 D、1×10-7mol/L

　　【答案】A　 解析：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4 根据方程式计算。

　　【变式5】 当用两铂电极电解100 g 10％CuSO4溶液一段时间后，在阳极析出0.16g物质时，CuSO4溶液的质量分数为（　　 ）
　　A、8.41％　　　　 B、8.36％　　　　 C、8.73％　　　　 D、9.62％

　　【答案】A