第4章 第2节 第1课时 电解原理（讲义word）-【勤径学升】2024-2025学年高中化学选择性必修1同步练测（人教版2019）

第二节　电解池 第1课时　电解原理 学习目标 核心素养 1．体验化学能与电能相互转化的探究过程。 2．分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池。 3．能写出电解池的电极反应式和反应方程式。 1．宏观辨识与微观探析：由电解CuCl2的实验探究电解池工作原理(装置特点、电子流动方向、离子流向、电极反应、放电顺序等)。 2．证据推理与模型认知：电解CuCl2溶液，掌握分析判断一般电解反应产物的有序思维方法。 [对应学生用书第86页] 一、电解和电解池 1．电解 使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阴极、阳极引起氧化还原反应的过程叫做电解。 2．电解池 (1)概念 电解池是把电能直接转化为化学能的装置。 (2)作用 外接电源提供电能，借助电解池将还原剂的电子转移给氧化剂。 (3)构成 ①与直流电源相连的两个电极，阳极与直流电源的正极相连，阴极与直流电源的负极相连；②电解质溶液(或熔融电解质)；③形成闭合回路。 二、电解原理 1．实验探究 (1)实验装置 用惰性电极(石墨)电解CuCl2溶液，电解装置如图所示。 (2)实验现象 ①与直流电源负极相连的石墨棒上逐渐覆盖一层红色的铜。 ②与直流电源正极相连的石墨棒上有气泡产生，湿润的碘化钾淀粉试纸变成蓝色。根据气体的刺激性气味和试纸变色情况，推测产生的气体是氯气。 (3)实验结论 实验表明，CuCl2溶液在通电条件下生成了Cu和Cl2。 2．理论分析 (1)通电前 在水溶液中CuCl2电离生成了Cu2＋和Cl－，在溶液中做自由运动，电离方程式为CuCl2===Cu2＋＋2Cl－。 (2)通电时 ①离子做定向运动，阴离子(Cl－)向阳极迁移，阳离子(Cu2＋)向阴极迁移。 ②阳极上Cl－失电子发生氧化反应，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑。阴极上Cu2＋得到电子发生还原反应，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu。 ③利用石墨作电极电解CuCl2溶液的总反应式为CuCl2Cu＋Cl2↑。 1．下列关于电解池的叙述中，不正确的是(　　) A．与电源正极相连的是电解池的阴极 B．电解池是电能转化为化学能的装置 C．溶液中的阳离子移向阴极 D．在电解池的阳极发生氧化反应 解析　与外接直流电源正极相连的是电解池的阳极，A错误；电解池将外接直流电的电能转化为化学能，该装置是电能转化为化学能的装置，B正确；电解池中溶液中的阳离子向得电子的一极移动，电解池中与外接直流电源负极相连的是阴极，阴极得电子，即溶液中的阳离子移向阴极，C正确；电解池的阳极失去电子流入外接直流电源的正极，在电解池的阳极发生氧化反应，D正确。 答案　A 2．某同学为了使反应2HCl＋2Ag===2AgCl＋H2↑能进行，设计了下列四个实验，如图所示，你认为可行的方案是 (　　) 解析　Ag与盐酸不反应，所以要使反应2HCl＋2Ag===2AgCl＋H2↑能进行，应该设计成电解池，Ag失电子发生氧化反应，Ag作阳极，氢离子得电子发生还原反应，电解质溶液中氢离子放电，则符合条件的是C。 答案　C [对应学生用书第87页] 要点一　电解原理 1．阴极不管是什么材料，电极本身都不反应吗？ 提示：是。阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液中的阳离子放电。 2．在氯化铜溶液中除了Cu2＋和Cl－之外还有H＋和OH－，这两种离子为什么没有得到或失去电子？ 提示：电解时，溶液中离子的放电先后顺序与离子的氧化性或还原性有关，氧化性强的阳离子先得电子被还原，还原性强的阴离子先失电子被氧化。Cu2＋比H＋更容易得电子，而Cl－比OH－更容易失电子，可从氧化性强弱的角度比较得电子的顺序，从还原性强弱的角度比较失电子的顺序。 1．电解池的工作原理 接通外界电源后，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，经过阴、阳离子的定向移动形成内电路，再从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极，如图所示。 2．电解池的阴、阳极的判断方法 3．电解池电极产物的判断 (1)阳极产物的判断：首先看电极，如果是活性电极(在金属活动性顺序中Ag以前)，则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，则要看溶液中阴离子的失电子能力，根据阴离子的放电顺序加以判断，阴离子的放电顺序：S2－>I－> Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。 (2)阴极产物的判断：可直接根据阳离子的放电顺序进行判断。 阳离子的放电顺序：Ag＋> Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋> Sn2＋>Fe2＋> Zn2＋> Al3＋> Mg2＋> Na＋>Ca2＋>K＋。 [例1]　(辽宁辽阳高二月考)用如图所示装置(X、Y是直流电源的两极)分别进行下列各组实验，则表中各项所列对应关系均正确的是(　　) 选 项 X极 实验前U 形管中液体 通电后现象及结论 A 正极 CuCl2溶液 右侧溶液中有气体逸出 B 负极 H2SO4溶液 溶液中pH增大 C 正极 NaCl溶液 U形管两端滴入酚酞后， 右侧溶液呈红色 D 负极 AgNO3溶液 左侧电极反应式是 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 解析　X极为正极，则U形管右侧石墨电极为阴极，电解氯化铜溶液时，Cu2＋在阴极被还原为单质铜，右侧溶液中无气体逸出，故A错误；电解H2SO4溶液的实质是电解水，所以H2SO4的浓度会增大，溶液中pH减小，故B错误；X极为正极，左侧石墨电极为阳极，右侧石墨电极为阴极，电解NaCl溶液时，H＋在阴极区放电，Cl－在阳极区放电，故阴极区溶液中会生成大量的Cl－，滴入酚酞后，右侧溶液呈红色，故C正确；X极为负极，则左侧石墨电极为阴极，电解硝酸银溶液时，阴极反应式为Ag＋＋e－===Ag，故D错误。 答案　C [方法技巧] 判断电解池中电极产物的思维模板 1．(北京师范大学附中期中)为探究电解的离子放电规律，进行如下实验： 序号 阳极 材料 阴极 材料 电解质 阳极 产物 阴极 产物 ① 石墨 石墨 0.1 mol·L－1 CuCl2溶液 Cl2 Cu ② 石墨 石墨 0.1 mol·L－1 NaCl溶液 Cl2 H2 ③ 石墨 石墨 0.2 mol·L－1 CuSO4溶液 O2 Cu ④ 铜 石墨 0.2 mol·L－1 CuSO4溶液 Cu2＋ Cu ⑤ 石墨 石墨 MgCl2熔融液 Cl2 Mg 下列说法错误的是(　　) A．对比①②可知，阴极离子放电顺序是Cu2＋＞H＋＞Na＋ B．对比①③可知，阳极离子放电顺序是Cl－＞OH－＞SO C．对比③④可知，阳极是铜时，会先于溶液中的离子放电 D．对比①⑤可知，电解得到金属只能用熔融态，不能用水溶液 解析　由①可知铜离子的氧化性强于氢离子，由②可知氢离子的氧化性强于钠离子，得电子能力强(氧化性强)的离子优先放电，所以对比①②可知，阴极离子放电顺序是Cu2＋＞H＋＞Na＋，故A正确；由①可知离子放电顺序：Cl－＞OH－，由③可知离子放电顺序：OH－＞SO，所以阳极离子放电顺序是Cl－＞OH－＞SO，故B正确；电解池的阳极若是活泼电极，则金属电极本身失电子，发生氧化反应，对比③④可知，阳极是铜时，会先于溶液中的离子放电，故C正确；由①可知，电解氯化铜溶液可得到金属铜，故D错误。 答案　D 要点二　电解规律及电极反应式书写 　用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后，加入Cu(OH)2可使电解质溶液恢复到电解前的情况吗？ 提示：可以。当CuSO4溶液电解完毕后，继续通电相当于进一步电解水，所以存在加入Cu(OH)2可使电解质溶液恢复到电解前的情况。 1．惰性电极电解电解质溶液的规律 类型 实例 电解 质特 点 电极反 应特点 电解质 浓度 pH 电解 质溶 液复 原方 法 阴极 阳极 电解 水型 NaOH 可溶 性强 碱 4H＋＋4e－===2H2↑ 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 增大 增大 加水 H2SO4 含氧酸 增大 减小 加水 Na2SO4 活泼 金属 含氧 酸盐 增大 不变 加水 电解 电解 质型 HCl 无氧 酸 2H＋＋2e－===H2↑ 2Cl－－2e－===Cl2↑ 减小 增大 通氯 化氢 CuCl2 不活 泼金 属无 氧酸 盐 Cu2＋＋2e－===Cu 减小 增大 加氯 化铜 放 H2 生碱 型 NaCl 活泼 金属 无氧 酸盐 2H＋＋2e－===H2↑ 生成 新电 解质 增大 通氯 化氢 放 O2 生酸 型 CuSO4 不活 泼金 属含 氧酸 盐 Cu2＋＋2e－===Cu 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 生成 新电 解质 减小 加氧 化铜 2.电极反应式的书写 (1)做到“三看”，正确书写电极反应式 ①一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定失电子(注：Fe生成Fe2＋)。 ②二看介质，介质是否参与电极反应。 ③三看是否有特殊信息(如题目信息)，若电解目的是制取氧化铝，则阳极产物不能是 Al3＋。 (2)电解池中方程式书写的3个关键点 ①书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质一定要写成化学式。 ②电极反应的书写首先根据题干要求及信息大胆写出反应物和生成物，然后根据“阴(极)得(e－)阳(极)失(e－)”加上得失电子数目，最后根据电解质溶液酸碱性补上H＋、OH－或H2O，依据电荷守恒配平。 ③要确保两极得失电子数目相等，且总反应注明条件“电解”。 [例2]　如图所示为在直流电源的作用下电解CuSO4溶液的装置，其中A、B为石墨电极，a、b为电源的两极。当接通电源，通电一段时间后，将B电极取出，洗干净并干燥后称量，其质量增加了3.2 g，则： (1)a电极为电源的________极。 (2)写出电极反应式：A极____________________，B极______________。 (3)若要使反应后的溶液恢复到原来状态，则应该加入________，加入________g。 解析　(1)B电极质量增加，则B电极为电解池的阴极，阴极发生还原反应，铜离子得到电子转化为铜单质，阴极与电源的负极相连，因此b电极为电源的负极，a电极为电源的正极。 (2)A电极为电解池的阳极，发生氧化反应，水失去电子转化为氧气和氢离子。 (3)应补充氧化铜使电解质溶液恢复到原来状态，阴极析出的铜的质量为3.2 g，而氧化铜中铜的质量分数为80%，因此需要补充的氧化铜的质量为4.0 g。 答案　(1)正 (2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋　Cu2＋＋2e－===Cu (3)CuO　4.0 2．下列各组中，每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是 (　　) A．HCl、CuCl2、Ba(OH)2 B．NaOH、CuSO4、H2SO4 C．NaOH、H2SO4、Ba(OH)2 D．NaBr、H2SO4、Ba(OH)2 解析　电解盐酸的方程式为2HClCl2↑＋H2↑，电解CuCl2的方程式为CuCl2Cu＋Cl2↑，A选项错误；电解CuSO4溶液的方程式为2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑，B选项错误；电解NaBr溶液的方程式为2NaBr＋2H2O2NaOH＋ H2↑＋Br2，D选项错。 答案　C [对应学生用书第89页] 1．用惰性电极电解稀H2SO4、Cu(NO3)2、NaCl的混合液，最先在阴极和阳极上析出的物质分别是 (　　) A．H2和Cl2 　　　　　　 B．Cu和Cl2 C．H2和O2 D．Cu和O2 解析　溶液中存在H＋、Cu2＋ 、Na＋、SO、NO、Cl－、OH－，根据粒子放电顺序，阳离子为Cu2＋>H＋>Na＋，阴离子为Cl－>OH－>SO>NO，则最先析出的物质分别为阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。 答案　B 2．某同学用石墨电极电解CuCl2溶液，设计如图所示装置并进行实验。下列叙述中正确的是 (　　) A．a端是直流电源的负极 B．通电使CuCl2发生电离 C．阳极上发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu D．通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体 解析　阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，可知a端为负极、b端为正极，A正确；电解质发生电离时与是否通电无关，B错误；阳极上Cl－失电子生成Cl2，阴极上Cu2＋得电子生成Cu，C、D错误。 答案　A 3．(三明五校协作高二期中联考)某溶液中含有两种溶质CuSO4和NaCl，它们的物质的量之比为2∶1，用石墨作电极电解该混合溶液时，下列叙述不正确的是(　　) A．阳极先析出Cl2后析出O2 B．阳极析出Cl2时，阴极析出的一定只有Cu C．电解最后阶段为电解水 D．电解最后阶段溶液中pH会增大 解析　阴离子放电能力：Cl－＞OH－，故阳极上先析出Cl2，假设NaCl的物质的量是1 mol，CuSO4的物质的量是2 mol，当Cl－放电完全，转移1 mol电子。阳离子放电能力：Cu2＋＞H＋，阴极先发生反应：Cu2＋＋2e－===Cu，Cu2＋放电完全时要转移4 mol电子，故Cl－放电完全时，只有四分之一的Cu2＋放电产生Cu单质，因此阴极析出的一定只有Cu，A和B均正确；电解到最后，Cl－、Cu2＋放电完全，为OH－、H＋放电，OH－、H＋由水电离产生，故电解最后阶段为电解水，C正确；后期电解水，导致溶液浓度增大，溶液酸性增强，则溶液pH会减小，D错误。 答案　D 4．如图X是直流电源，Y池中c、d为石墨棒，Z池中e、f是质量相同的铜棒。接通电路后，发现d附近显红色。 (1)①b为电源的________(选填“正”“负”“阴”或“阳”，下同)极。 ②Z池中e为________极。 ③连接Y、Z池线路，电子流动的方向是d________ (用“→”或“←”填空)e。 (2)①写出c极上反应的电极反应式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ②写出Y池中总反应的化学方程式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③写出Z池中e极上反应的电极反应式： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析　d极附近显红色，说明d为阴极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，c为阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，Y池电解NaCl溶液的总反应方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑；直流电源中a为正极，b为负极，Z池中f为阴极，e为阳极，电极反应式分别为Cu2＋＋2e－===Cu、Cu－2e－===Cu2＋，电子流动方向由e→d。 答案　(1)①负　②阳　③← (2)①2Cl－－2e－===Cl2↑　②2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑　③Cu－2e－===Cu2＋ 学科网（北京）股份有限公司 $$