4.2 电解池-【新课程能力培养】2024-2025学年高中化学选择性必修1学习手册（人教版）

学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 学 习 目 标 1. 了解电解池的工作原理。 2. 认识电解在实现物质转化和储存能量中的 具体应用。 知 识 梳 理 知识点 1 电解原理 1. 电解 （ 1 ） 概念： 使电流通过电解质溶液而在阴、 阳两极引起氧化还原反应的过程。 （ 2 ） 特点 ① 电解是最强有力的氧化还原手段， 是不可 逆的。 ② 电解质溶液的导电过程， 就是电解质溶液 的电解过程。 2. 电解池 （ 1 ） 定义： 把电能转化成化学能的装置。 （ 2 ） 形成条件 ① 直流电源。 ② 两个电极： 与电源正极相连的一极是阳 极， 与电源负极相连的一极是阴极。 ③ 电解质溶液或熔融电解质。 ④ 形成闭合回路。 3. 电解池的工作原理 （ 1 ） 电极名称及电极反应 （电解 CuCl 2 溶液 为例） 总反应式： CuCl 2 电解 Cu＋Cl 2 ↑ （ 2 ） 电子和离子的移动方向 ① 电子： 从电源负极流出后， 流向电解池阴 极； 从电解池的阳极流出后， 流向电源的 正极。 ② 离子： 阳离子移向电解池的阴极， 阴离子 移向电解池的阳极。 知识点 2 用惰性电极电解电解质溶液 的规律 1. 惰性电极是指石墨、 Pt 、 Au 等电极， 活 性电极通常指除 Au 、 Pt 以外的金属电极。 2. 阳极如果是活性电极， 则电极材料本身失 去电子发生氧化反应被溶解； 阳极如果是 惰性电极， 则溶液中的阴离子按放电顺序 在阳极上发生氧化反应。 3. 用惰性电极电解电解质溶液时阴阳离子的 放电顺序： （ 1 ） 阳极： S 2－ >I － >Br － >Cl － >OH － > 含氧酸根 >F － 。 （ 2 ） 阴极： Ag ＋ >Hg 2＋ >Fe 3＋ >Cu 2＋ >H ＋ （酸 ） >Pb 2＋ > Sn 2＋ >Fe 2＋ >Zn 2＋ >H ＋ （水） ＞Al 3＋ ＞Mg 2＋ ＞Na ＋ >K + 。 第二节 电解池 Cu Cl 2 Cl - Cu 2+ 电极名称： 阴极 反应类型： 还原反应 电极反应式： Cu 2+ +2e - Cu 电极名称： 阳极 反应类型： 氧化反应 电极反应式： 2Cl - -2e - Cl 2 ↑ A - + 温馨提示 （ 1 ） 当溶液中存在多种阳离子或阴离子 时 ， 存在哪个离子先反应的问题 ， 96 学 第四章 化学反应与电能 4. 用惰性电极电解电解质溶液的类型 （ 1 ） 电解水型 实例 ： 含氧酸 （ H 2 SO 4 ）、 可溶性强碱 （ NaOH ）、 活泼金属含氧酸盐 （ Na 2 SO 4 ）。 阴极： 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ 阳极： 4OH － －4e － 2H 2 O＋O 2 ↑ 总反应式： 2H 2 O 电解 2H 2 ↑＋O 2 ↑ （ 2 ） 电解电解质型 实例： 无氧酸 （ HCl ）、 不活泼金属无氧 酸盐 （ CuCl 2 ）。 电解 HCl 溶液 阴极： 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ 阳极： 2Cl － －2e － Cl 2 ↑ 总反应式： 2HCl 电解 H 2 ↑＋Cl 2 ↑ （ 3 ） 放 H 2 生碱型 实例： 活泼金属无氧酸盐 （ NaCl ） 阴极： 2H 2 O＋2e － H 2 ↑+2OH - 阳极： 2Cl － －2e － Cl 2 ↑ 总反应式 ： 2NaCl＋2H 2 O 电解 2NaOH ＋ H 2 ↑＋Cl 2 ↑ （ 4 ） 放 O 2 生酸型 实例： 不活泼金属含氧酸盐 （ CuSO 4 ） 阴极： Cu 2＋ ＋2e － Cu 阳极： 2H 2 O－4e － O 2 ↑+4H + 总 反 应 式 ： 2CuSO 4 ＋2H 2 O 电解 2Cu ＋ 2H 2 SO 4 ＋O 2 ↑ 知识点 3 电解原理的应用 1. 电解饱和食盐水 （氯碱工业） （ 1 ） 电极反应 阳极反应式 ： 2Cl － －2e － Cl 2 ↑ （氧化 反应） 阴极反应式： 2H 2 O＋2e － H 2 ↑+2OH - （还 原反应） （ 2 ） 总反应方程式 2NaCl＋2H 2 O 电解 2NaOH＋H 2 ↑＋Cl 2 ↑ （ 3 ） 氯碱工业基本原理图 （ 4 ） 阳离子交换膜的作用 阳离子交换膜只允许阳离子通过， 而不 允许阴离子及气体通过。 既可以防止阴极产 生的氢气与阳极产生的氯气相混合， 在一定 条件下引起爆炸， 又能避免氯气与氢氧化钠 作用生成次氯酸钠而影响烧碱的质量和纯度。 2. 电镀 （ 1 ） 定义： 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方法。 （ 2 ） 目的： 使金属增强抗腐蚀能力， 增加美 观度和表面硬度。 （ 3 ） 实例 （金属表面镀银） 下图为电镀池工作原理示意图。 即放电顺序。 离子的放电顺序与离 子的性质、 溶液浓度、 电流密度和 电极材料等多种因素有关， 但主要 取决于离子的氧化性和还原性的相 对强弱。 （ 2 ） 电解水溶液时， K ＋ ～Al 3＋ 不可能在阴 极放电， 即不能用电解水溶液的方法 得到 K～Al 等活泼金属。 - + Cl 2 H 2 淡盐水 NaOH 溶液 Cl - H + 阳离子 交换膜 精制饱和 NaCl 溶液 H 2 O （含少量 NaOH ） 97 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） ① 镀件作阴极， 镀层金属银作阳极。 ② 电解质溶液是 AgNO 3 溶液等含镀层金属 阳离子的盐溶液。 ③ 电极反应 阳极： Ag－e － Ag ＋ 阴极： Ag ＋ ＋e － Ag （ 4 ） 特点： 电镀液中金属阳离子的浓度基本 不变。 3. 电解精炼铜 电解精炼铜原理示意图如下所示。 （ 1 ） 电极材料 阳极为粗铜 （含 Zn 、 Fe 、 Ni 、 Ag 、 Au 等杂质） 阴极为纯铜 （或精铜） （ 2 ） 电解质溶液： 含 Cu 2＋ 的盐溶液。 （ 3 ） 电极反应 阳极 ： Cu－2e － Cu 2＋ （ Zn－2e － Zn 2＋ 、 Fe－2e － Fe 2＋ 、 Ni－2e － Ni 2＋ ） 阴极： Cu 2＋ ＋2e － Cu （ 4 ） 阳极泥 阳极上的不活泼杂质 （金、 银等） 以小 颗粒的形式沉入电解池底部。 4. 电冶金 电解是最强有力的氧化还原手段， 适用 于一些活泼金属单质的制取 ， 如冶炼钠 、 钙、 镁、 铝等活泼金属。 （ 1 ） 冶炼钠： 2NaCl （熔融） 电解 2Na＋Cl 2 ↑ 电极反应 阳极： 2Cl － －2e － Cl 2 ↑ 阴极： Na ＋ ＋e － Na （ 2 ） 冶炼铝： 2Al 2 O 3 （熔融） 电解 4Al＋3O 2 ↑ 电极反应 阳极： 2O 2－ －4e － O 2 ↑ 阴极： Al 3＋ ＋3e － Al 要 点 精 析 要点 1 电解池的工作原理 典例 1 有关甲、 乙、 丙、 丁四个图示的叙 述正确的是 （ ） 阳极 待镀的金属制品 电镀液 含有镀层金属离子的溶液 阴极 镀层金属 粗铜纯铜 CuSO 4 溶液 阳极阴极 A - + 温馨提示 （ 1 ） 电镀时， 电解质溶液的浓度不变 ， 阳极减少的质量与阴极增加的质量 相等。 （ 2 ） 电解精炼铜时， 电解质溶液的浓度 减小， 阳极减小的质量与阴极增加 的质量不相等。 ZnAg H 2 SO 4 （稀） Cu AgNO 3 溶液 Ag 电源 - + 甲 乙 98 学 第四章 化学反应与电能 A. 甲中负极反应式为 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ B. 乙中阳极反应式为 Ag ＋ ＋e － Ag C. 丙中 H ＋ 向碳棒方向移动 D. 丁中电解开始时阳极产生黄绿色气体 解析： 由图知， 甲、 丙为原电池， 甲中 Zn 为负极， Zn－2e － Zn 2＋ ， A 错误； 丙中 Fe 为 负极， C 为正极， H ＋ 向正极移动， C 正确； 乙、 丁为电解池， 乙中 Ag 作阳极， 本身失 电子， B 错误； D 中放电顺序为 I － >Cl － ， 开 始产生 I 2 ， D 错误。 答案： C CFe H 2 SO 4 （稀） Pt BaCl 2 和 NaI 混合液 Fe 丙 丁 典例 1 图 思维点拨 根据原电池和电解池的构成条件 ， 结合图示判断出是原电池还是电解池， 有外接直流电源的是电解池， 无外接直 流电源的是原电池。 再结合两池的工作 原理分析电极及电极反应等。 要点 2 用惰性电极电解电解质溶液的 规律 类型 实例 电解总方程式 电解对象 电解质浓 度的变化 溶液 pH 变化 电解质溶液 复原的方法 电解水型 H 2 SO 4 2H 2 O 电解 2H 2 ↑＋O 2 ↑ 水 增大 减小 加 H 2 ONaOH 增大 KNO 3 不变 电解电 解质型 HCl 2HCl 电解 H 2 ↑+Cl 2 ↑ 电解质 减小 增大 通 HCl 气体 CuCl 2 CuCl 2 电解 Cu+Cl 2 ↑ 加 CuCl 2 放 H 2 生碱型 NaCl 2NaCl＋2H 2 O 电解 2NaOH + H 2 ↑+Cl 2 ↑ 电解质 和水 生成 新电解质 增大 通 HCl 气体 放 O 2 生酸型 CuSO 4 2CuSO 4 ＋2H 2 O 电解 2Cu+ 2H 2 SO 4 +O 2 ↑ 电解质 和水 生成 新电解质 减小 加 CuO 或 CuCO 3 典例 2 用石墨作电极 电解 KCl 和 CuSO 4 （等 体积混合） 混合溶液， 电解过程中溶液 pH 随 时间 t 的变化如图所 示 （不考虑氯气在水中的溶解）， 下列说法 正确的是 （ ） A. ab 段 H ＋ 被还原， 溶液的 pH 增大 B. cd 段相当于电解水 C. c 点时加入适量 CuCl 2 固体， 电解液可恢 复原来浓度 D. 原溶液中 KCl 和 CuSO 4 的物质的量浓度 之比为 2 ∶ 1 b a c d t O 7 pH 典例 2 图 99 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 解析 ： 用惰性电极电解等体积的 KCl 和 CuSO 4 混合溶液， 阴极离子放电顺序是 Cu 2＋ >H ＋ ， 阳极上离子放电顺序是 Cl － >OH － 。 根 据图示溶液 pH 的变化情况， 可得电解过程 中分三个阶段： 第一阶段： 阳极反应 2Cl － － 2e － Cl 2 ↑ ， 阴极反应 Cu 2＋ ＋2e － Cu ， 相当 于电解 CuCl 2 溶液， 水解得到氢离子浓度减 小， 溶液 pH 上升但仍显酸性， 故 A 错误； 第二阶段： 阳极反应 4OH － －4e － 2H 2 O＋O 2 ↑ ， 阴极反应 Cu 2＋ ＋2e － Cu ， 相当于电解 CuSO 4 溶液， 生成硫酸， 电解至 c 点时， 溶液中溶 质为硫酸、 硫酸钾， 往电解液中加入适量 CuCl 2 固体， 不能使电解液恢复至原来的浓 度， C 错误； 第三阶段： 阳极反应 4OH － －4e － 2H 2 O＋O 2 ↑ ， 阴极反应 2H ＋ ＋2e － H 2 ↑ ， 实 质是电解水， 溶液中硫酸浓度增大， pH 继 续降低， B 正确； 如果 KCl 和 CuSO 4 的浓度 之比为 2 ∶ 1 ， 则 b 点溶液为 K 2 SO 4 ， 显中性， 与图示不符合， D 错误。 答案： B 变式训练 电化学工作原理的实际应用非常广泛。 （ 1 ） 某同学设计了如图 1 所示装置进行以下 电化学实验。 ① 当开关 K 与 a 连接时， 两极均有气泡产 生， 则阴极为 （填 “ Fe ” 或 “石 墨”） 电极。 ② 一段时间后， 使开关 K 与 a 断开， 并将两 电极产生的气体完全释放后， 再将 K 与 b 连接时， 虚线框内的装置可称为 （填 “电解池” 或 “原电池”）。 请写出此 时 Fe 电极上的电极反应式： 。 （ 2 ） 图 2 所示的三个容器中分别盛有不同的 溶液， 其中， c 、 d 、 g 、 h 为石墨电极， e 、 f 为铜电极。 闭合 K ， 发现 g 电极附 近的溶液先变红。 电解 20 min 时， 停 止电解， 此时 d 电极上产生 56 mL 气体 （标准状况）。 据此回答： ① 整个电解过程中， 电路中通过的电子的物 质的量是 。 ② 乙装置中发生电解的总反应方程式为 。 ③ 要使甲中溶液恢复到原来的状态， 需要加 入的物质为 （填化学式）。 思维点拨 混合溶液的电解问题， 需要根据放电 顺序， 依次列出阴极和阳极可能发生的电 极反应， 再根据阴阳两极电子守恒或溶液 酸碱性变化， 依次按阶段划分出所发生的 阴阳极反应和总反应， 从而根据电解原理 进一步分析每一阶段所发生的变化。 变式训练图 1 c d 100 mL 2 mol · L -1 CuSO 4 溶液 e f 100 mL 0.2 mol · L -1 Na 2 SO 4 溶液 g h 100 mL 2 mol · L -1 NaCl 溶液（滴有酚酞） K 电源 a b 变式训练图 2 甲 乙 丙 直流电源 K Fe a b 饱和食盐水 石墨 100 学 第四章 化学反应与电能 要点 3 原电池、 电解池、 电镀池和电 解精炼池的比较 电池名称 原电池 电解池 电镀池 电解精炼池 定义 将化学能转变成电能 的装置 将电能转变成化学 能的装置 应用电解原理在某些 金属表面镀上一薄层 其他金属的方法 应用电镀原理提纯金属 的方法 装置举例 形成条件 ① 活动性不同的两个 电极 ； ② 电解质溶 液 ； ③ 形成闭合回 路； ④ 自发进行的氧 化还原反应 ① 两电极外接直流电源； ② 两电极插入电解质溶液； ③ 形成闭合回路 电极 负极： 较活泼金属 正极： 较不活泼金属 （或非金属导体） 阳极 ： 与电源正极 相连 阴极 ： 与电源负极 相连 阳极： 镀层金属 阴极： 镀件 阳极： 粗铜 阴极： 精铜 （或纯铜） 电极反应 负极： 氧化反应 正极： 还原反应 阳极： 氧化反应 阴极： 还原反应 阳极： 镀层金属失电 子， 氧化反应 阴极： 镀层金属离子 得电子， 还原反应 阳极： 粗铜中的铜及锌、 铁、 镍等杂质失电子， 氧 化反应 阴极： 铜离子得电子， 还 原反应 电子流动 方向 负极 正极 负极 阴极； 阳极 正极 离子移动 方向 阳离子向正极移动， 阴离子向负极移动 阳离子向阴极移动， 阴离子向阳极移动 实质 均发生氧化还原反应， 两电极得失电子数相等 CuZn H 2 SO 4 溶液 Cl 2 H 2 石墨 石墨 饱和 NaCl 溶液 FeZn ZnCl 2 溶液 粗铜 CuSO 4 溶液 精铜 导线 导线 导线 典例 3 电解原理在化学工 业中有广泛应用。 如图表示 一个电解池 ， 装有电解液 a ； X 、 Y 是两块电极板， 通 过导线与直流电源相连。 请 回答以下问题。 （ 1 ） 若 X 、 Y 都是惰性电极， a 是饱和 NaCl 溶液， 实验开始时， 同 时在两边各滴入几滴酚酞溶液， 则： ① 电解池中 X 极上的电极反应式是 。 ②Y 电极上的电极反应式是 ， 检验该电极反应产物的方法是 。 ③ 该反应的总反应方程式是 。 （ 2 ） 如果用电解方法精炼粗铜， 电解液 a 选 A - + X Y a 典例 3 图 101 学 高中化学选择性必修 1 （人教版） 用 CuSO 4 溶液， 则： ①X 电极的材料是 ， 电极反应式是 。 ②Y 电极的材料是 ， 电极主要反应 式是 。 解析： （ 1 ） X 为阴极： 2H 2 O＋2e － H 2 ↑+ 2OH - 。 Y 为阳极： 2Cl － －2e － Cl 2 ↑ ， 用湿润 的 KI 淀粉试纸可检验 Cl 2 。 （ 2 ） 精炼铜时， 粗铜接阳极。 Y 电极是粗铜， X 电极是精铜。 答案 ： （ 1 ） ①2H 2 O＋2e － H 2 ↑+2OH - ②2Cl － －2e － Cl 2 ↑ 把湿润的 KI 淀粉试纸 放在 Y 电极附近的支管口处， 试纸变蓝色 ③ 2NaCl ＋2H 2 O 电解 2NaOH ＋H 2 ↑ ＋Cl 2 ↑ （ 2 ） ① 精铜 Cu 2＋ ＋2e － Cu ② 粗铜 Cu－ 2e － Cu 2＋ 要点 4 有关电解的计算 1. 计算的原则 （ 1 ） 阳极还原剂失去的电子总数 ＝ 阴极氧化 剂得到的电子总数。 （ 2 ） 串联电路中通过各电极的电子总数相等。 （ 3 ） 电源输出的电子总数和电解池中转移的 电子总数相等。 2. 计算的方法 （ 1 ） 根据电子守恒法计算： 用于串联电路、 阴阳两极产物、 正负两极产物、 相同电 量等类型的计算， 其依据是电路上转移 的电子数相等。 （ 2 ） 根据总反应式计算： 先写出电极反应 式， 再写出总反应式， 最后根据总反应 式列比例式计算。 （ 3 ） 根据关系式计算： 根据得失电子守恒的 关系建立已知量与未知量之间的桥梁， 建立计算所需的关系式。 3. 注意几个等量关系式 （ 1 ） 当电流通过一个或多个串联的电解池 时， 它们皆处于同一闭合电路中， 所以 同一时间内通过的电子的物质的量相等。 （ 2 ） 常见电化学计算的对应关系 如电解中析出气体时， 在同温、 同压下 析出各气体物质的量之比为 n （ H 2 ） ∶ n （ Cl 2 ） ∶ n （ O 2 ） ＝1 ∶ 1 ∶ 0.5 。 总之， 电解混合溶液时要注意电解的阶 段性， 电极反应式和总反应式， 电解产物与 转移电子数之间的关系式是电化学计算的主 要依据。 典例 4 将两个铂电极插入 500mLCuSO 4 （ aq ） 中进行电解， 通电一段时间后， 某一电极上 增重 0.064 g （设电解时无 H 2 放出， 且不考 虑水解和溶液体积的变化）， 此时溶液中氢 离子的物质的量浓度约为 （ ） A. 1×10 －3 mol · L －1 B. 4×10 －3 mol · L －1 C. 2×10 －3 mol · L －1 D. 1×10 －7 mol · L －1 解析： 溶液的 H ＋ 由电解 CuSO 4 溶液产生 ， 思维点拨 结合电解原理， 理解掌握氯碱工业、 电镀及电解精炼的基本原理。 2e - ~Cl 2 ~ 1 2 O 2 ~2H + ~Cu~2Ag~H 2 ~2OH - $$ # $$ % 阳极产物 $$ # $$ % 阴极产物 思维点拨 根据题意确定本题为用惰性电极电 解 CuSO 4 溶液， 故可利用电极总反应式 或电子守恒进行计算。 102 学 第四章 化学反应与电能 所以要计算 c （ H ＋ ）， 可利用电解的离子方程 式 2Cu 2＋ ＋2H 2 O 通电 2Cu＋O 2 ↑＋4H ＋ 进行解题。 题中电极增重 0.064 g 必为阴极反应生成 Cu 所 致， 即 n （ Cu ） ＝0.064 g÷64 g · mol －1 ＝0.0010 mol 。 2Cu 2＋ ＋2H 2 O 通电 2Cu＋O 2 ↑＋4H ＋ 2 mol 4 mol 0.0010 mol c （ H ＋ ） ×0.50 L c （ H ＋ ） ＝ 4 mol×0.0010 mol 2 mol×0.50 L ＝4.0×10 －3 mol · L －1 。 答案： B 变式训练答案 （ 1 ） ①Fe ② 原电池 Fe-2e - ＋2OH - Fe （ OH ） 2 （ 2 ） ①0.01 mol ②Cu+2H 2 O 电解 Cu （ OH ） 2 + H 2 ↑ ③CuO （或 CuCO 3 ） 103