人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池第1课时导学案

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第二节　 电解池
第2课时　电解原理的应用

1.通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，认识电能与化学能之间的转化。
变化观念与平衡思想
2.建立守恒法解答电解相关计算问题的思维模型，加深对电解原理的理解和应用。
证据推理与模型认知

要点一　　电解饱和食盐水——氯碱工业
1．离子交换膜法电解饱和食盐水的原理示意图

2．原理分析及电极反应
通电前，食盐水中，NaCl和H2O发生电离，在溶液中存在着Na＋、Cl－、H＋、OH－4种自由移动的离子。通电时，这些离子改作定向运动。
①阳极：Cl－比OH－容易失去电子，电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑。
②阴极：H＋比Na＋容易得到电子，电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
③总反应化学方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。
3．阳离子交换膜的作用
只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量和纯度。
要点二　　电镀
1．电镀
(1)电镀是一种利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加工工艺。
(2)电镀池构造
镀层金属通常是一些在空气或溶液中不易发生变化的金属(如铬、镍、银)和合金(如黄铜)。
(3)电镀的主要目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。
2．电解精炼(如电解精炼铜，杂质为铁、锌、金、银等)
(1)以待精炼的铜作阳极，纯铜作阴极，电解质溶液为CuSO4溶液。
(2)电解精炼时，阳极上Cu变成Cu2＋而溶解，其中含有的一些杂质则沉积在电解槽底部形成阳极泥，阳极泥可作为提炼金、银等金属的原料。阴极上Cu2＋变成Cu析出。
要点三　　电冶金
1．金属冶炼的本质
金属冶炼就是使矿石中的金属离子(以Mn＋表示)获得电子变成金属单质的过程：Mn＋＋ne－===M。
2．金属的冶炼
(1)电解法可将通常极难被还原的活泼金属从它们的化合物中还原出来，如冶炼Na、Mg、Ca、Al等。
(2)电解熔融氯化钠可以得到金属钠：阴极的电极反应式Na＋＋e－===Na；阳极的电极反应式2Cl－－2e－===Cl2↑；总反应式为2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑。

判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)电解饱和食盐水时，在阳极区产生氢氧化钠。(　　)
(2)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。(　　)
(3)电解精炼铜时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。(　　)
(4)电解精炼铜时，若阴极得到2 mol电子，则阳极质量减少64 g。(　　)
(5)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3；也可电解MgO和AlCl3。(　　)
答案 (1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×

(1)电解饱和食盐水过程中，除电极氧化还原反应产生Cl2和H2外，在阴极还产生NaOH。
(2)电解精炼时，阳极除被精炼的金属放电外，还有其他较活泼的金属放电，故阴、阳极电极质量变化不等，电解液浓度略下降。
(3)MgO熔点高、熔融AlCl3(共价化合物)不导电，冶炼Mg、Al分别电解熔融的MgCl2、Al2O3。

考点一　　电解原理的应用

1．若模拟氯碱工业生产烧碱、氯气和氢气，如何选用电极材料和电解质溶液？

答案 c电极用Pt或石墨，d电极用铁丝(导体均可)，X溶液为饱和食盐水。
2．若模拟电解精炼铜，如何选用电极材料和电解质溶液？
答案 c电极用粗铜，d电极用纯铜，X溶液为CuSO4溶液。

1．氯碱工业的生产过程

【例题1】 如图是工业电解饱和食盐水的装置示意图，下列说法中不正确的是(　　)

A．装置出口①处的物质是氯气
B．出口②处的物质是氢气，该离子交换膜只能让阳离子通过
C．装置中发生反应的离子方程式为2Cl－＋2H＋Cl2↑＋H2↑
D．该装置是将电能转化为化学能
思维导引：根据外接电源的正、负极判断电解池的阴、阳极，然后根据离子放电顺序判断阴、阳极发生的反应及对应产物。
答案　C
解析　出口①处是电解池的阳极区，溶液中的氯离子失电子生成氯气，A项正确；出口②处是电解池的阴极区，溶液中的氢离子得到电子发生还原反应生成氢气，离子交换膜是阳离子交换膜，只允许阳离子通过，B项正确；电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，离子方程式为2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－，C项错误；该装置是电解装置，是把电能转化为化学能，D项正确。
【变式1】 氯碱工业中电解饱和食盐水原理示意图如图所示(电极均为石墨电极)。下列说法中正确的是(　　)

A．M为电子流出的一极
B．通电使氯化钠发生电离，反应方程式为2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
C．电解一段时间后，阴极区pH减小
D．电解时用盐酸调节阳极区溶液的pH在2～3，有利于气体逸出
答案　D
解析　电解过程中阳离子向阴极移动，由题图可知，右侧电极为阴极，则N为电源负极，左侧电极为阳极，M为电源正极，电子从负极流出，即N为电子流出的一极，A项错误；氯化钠在水中发生电离，不需要通电，通电使氯化钠溶液发生电解反应，B项错误；电解时，阴极上水电离出的氢离子得电子生成氢气，同时生成氢氧根离子，溶液中氢氧根离子的浓度增大，则pH增大，C项错误；电解时，阳极上氯离子失电子生成氯气，用盐酸控制阳极区溶液的pH在2～3的作用是促使化学平衡Cl2＋H2OHCl＋HClO逆向移动，减少Cl2在水中的溶解，有利于Cl2的逸出，D项正确。
2．原电池、电解池、电镀池的判断方法
(1)若装置中无外加电源，则该装置可能为原电池，然后根据原电池的构成条件进行分析判断。
(2)若有外接直流电源，两极插入电解质溶液中，则可能是电解池或电镀池；当阴极为金属，阳极亦为金属且与电解质溶液中的金属阳离子属同种元素时，则为电镀池。
(3)若多个单池相互串联，又有外接直流电源，则与直流电源相连接的为电解池或电镀池。若无外接直流电源，则较活泼的金属电极为原电池的负极，有关装置为原电池，其余为电镀池或电解池。
3．电镀铜与精炼铜的比较

电镀铜
精炼铜
能量转变
电能转化为化学能
电能转化为化学能
阳极材料
纯铜
粗铜(含锌、银、金等杂质)
阴极材料
镀件
纯铜
阳极反应
Cu－2e－===Cu2＋
Zn－2e－===Zn2＋
Cu－2e－===Cu2＋等
阴极反应
Cu2＋＋2e－===Cu
Cu2＋＋2e－===Cu
电解质溶液
及其变化
硫酸铜溶液浓度保持不变
反应后硫酸铜溶液中混有Zn2＋等，Cu2＋浓度减小
【例题2】 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，请回答下列问题。

如要用电解方法精炼粗铜，电解液a选用CuSO4溶液，则：
(1)X电极的材料是__，电极反应式为_______________________________。
(2)Y电极的材料是__电极反应式为_________________________________。
(说明：杂质发生的电极反应不必写出)
思维导引：电解精炼时，粗铜作阳极，发生氧化反应，纯铜作阴极，发生还原反应。
解析 精炼粗铜，电解质溶液中需含Cu2＋，X极为纯铜，发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu；Y极为粗铜，发生的反应为Cu－2e－===Cu2＋。
答案 (1)纯铜　Cu2＋＋2e－===Cu　(2)粗铜　Cu－2e－===Cu2＋
【变式2】 如图为电解装置，X、Y为电极材料，a为电解质溶液。

(1)若a为含有酚酞的KCl溶液，X为Fe，Y为石墨，电解一段时间后，X电极附近可观察到的实验现象是____________________________，写出Y电极的电极反应式：_____________________。
(2)若要实现Cu＋H2SO4===CuSO4＋H2↑，则Y电极材料是__，写出X电极的电极反应式：____________________。
(3)若要利用该装置在铁制品表面镀上一层银，则a为______；反应前两电极的质量相等，反应后两电极质量相差2.16 g，则该过程理论上通过电流表的电子数目为____(设NA为阿伏加德罗常数的值)。
(4)若X、Y均为惰性电极，a为NaOH溶液，电解一段时间后，溶液的pH____(填“增大”“不变”或“减小”)，若要使溶液恢复原来的状态，可往溶液中加入一定量的____。
解析 (1)若a为含有酚酞的KCl溶液，X为Fe，Y为石墨，X电极上氢离子得到电子生成氢气，电极附近溶液中氢氧根离子浓度增大，使酚酞变红色；Y电极上氯离子失去电子生成氯气，电极反应是2Cl－－2e－===Cl2↑。(2)要实现Cu＋H2SO4===CuSO4＋H2↑，需要利用电解原理，Y电极应是铜作阳极，X电极上是氢离子得到电子生成氢气，其电极反应为2H＋＋2e－===H2↑。(3)利用该装置在铁制品表面镀上一层银，则银作阳极(Y)，铁制品作阴极(X)，硝酸银溶液作电解质溶液；反应前两电极的质量相等，反应后两电极质量相差2.16 g，依据得失电子守恒可知，阳极减小的质量与阴极增加的质量相同，阴极析出银的质量＝阳极溶解的银的质量＝1.08 g，析出银的物质的量为＝0.01 mol，则该过程理论上通过电流表的电子数目为0.01NA。(4)X、Y均为惰性电极，a为NaOH溶液，实质是电解水，溶液浓度增大，溶液pH增大，加入一定量的水即可使溶液复原。
答案 (1)电极表面产生气体，附近溶液变红　2Cl－－2e－===Cl2↑　(2)Cu　2H＋＋2e－===H2↑　(3)AgNO3溶液　0.01NA　(4)增大　H2O
考点二　　电解相关的计算

1．电解计算的原则
(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。
(2)串联电路中通过电解池的电子总数相等。
(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．电解计算的常用方法

【例题3】 如图装置中，b电极用金属M制成，a、c、d为石墨电极，接通电源，金属M沉积于b极，同时a、d电极上产生气泡。试回答下列问题：

(1)a为____极，c极的电极反应式为________________________________。
(2)电解开始时，在B烧杯的中央，滴几滴淀粉溶液，你能观察到的现象是____________，电解进行一段时间后，罩在c极上的试管中也收集到了气体，此时c极上的电极反应为______________________________________________。
(3)当d极上收集到44.8 mL气体(标准状况)时停止电解，a极上放出了____ mol气体，若b电极上沉积金属M的质量为0.432 g，则此金属的摩尔质量为_________________________________________。
(4)电解停止后，加入蒸馏水使A烧杯中溶液的体积仍为200 mL，取这种溶液加入25.0 mL 0.100 mol·L－1 HCl溶液中，当加入31.25 mL溶液时刚好沉淀完全。试计算：电解前A烧杯中MNO3溶液的物质的量浓度为____。
思维导引：b电极沉积金属M，故为阴极，根据闭合回路分析清电路；根据电子守恒进行计算。
解析 (1)由题意知b极M＋＋e－===M，故b极为阴极，a极为阳极；则c极为阳极，电极反应为2I－－2e－===I2。(2)由于c极产生I2，故c极附近溶液首先变蓝，d极反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，无I2生成，故d极附近无现象；当c极I－放电完全后，OH－放电2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。(3)a极反应2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，d极反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，由得失电子守恒知2H2～O2，n(O2)＝n(H2)＝×＝1×10－3mol；m(M)＝0.432 g，n(M)＝n(e－)＝4×10－3 mol，则M(M)＝＝108 g·mol－1。(4)电解后c(AgNO3)＝＝0.08 mol·L－1，n(Ag＋)＝0.08 mol·L－1×0.2 L＝0.016 mol，电解前c(AgNO3)＝＝0.1 mol·L－1。
答案 (1)阳　2I－－2e－===I2　(2)c极附近的溶液首先变为蓝色　2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(3)0.001　108 g/mol　(4)0.1 mol·L－1
【变式3】 如图为相互串联的甲、乙两个电解池，试回答下列问题：

(1)甲池为用电解原理精炼铜的装置，则A极是电解池的____，电极材料是____，电极反应式为______________________；B极是电解池的____，电极材料是____，主要的电极反应式为__________________。
(2)乙池中若滴入少量酚酞溶液，开始一段时间后，Fe极附近呈__色。
(3)若甲池阴极增重12.8 g，则乙池阳极放出气体在标准状况下的体积为____(不考虑气体溶解情况)。
解析 (2)Fe极上电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，生成OH－，显碱性，遇酚酞呈红色。(3)甲池阴极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，生成n(Cu)＝＝0.2 mol，得到电子的物质的量n(e－)＝0.4 mol；乙池阳极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，由得失电子守恒知生成Cl2的物质的量为0.2 mol，在标准状况下的体积为4.48 L。
答案 (1)阴极　纯铜　Cu2＋＋2e－===Cu　阳极　粗铜　Cu－2e－===Cu2＋　(2)红　(3)4.48 L

【例题】 (2020·全国卷Ⅱ)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是(　　)

A．Ag为阳极
B．Ag＋由银电极向变色层迁移
C．W元素的化合价升高
D．总反应为WO3＋xAg===AgxWO3
答案　C
解析　通电时，Ag电极有Ag＋生成，故Ag电极为阳极，A项正确；通电时电致变色层变蓝色，说明有Ag＋从Ag电极经固体电解质进入电致变色层，B项正确；变化过程中，W由WO3的＋6价降低到AgxWO3中的＋(6－x)价，C项错误；该电解池中阳极即Ag电极上发生的电极反应为xAg－xe－===xAg＋，阴极上发生的电极反应为WO3＋xAg＋＋xe－===AgxWO3，故发生的总反应式为xAg＋WO3===AgxWO3，D项正确。



1．NaClO2(亚氯酸钠)是常用的消毒剂和漂白剂，工业上可采用电解法制备，工作原理如图所示。下列叙述正确的是(　　)

A．若直流电源为铅蓄电池，则b极为Pb
B．阳极反应式为ClO2＋e－===ClO
C．交换膜左侧NaOH的物质的量不变，气体X为Cl2
D．制备18.1 g NaClO2时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜左侧向右侧迁移
答案　C
解析　左边通入ClO2，ClO2得电子产生ClO，故左边电极为阴极，连接电源的负极，铅蓄电池Pb极为负极，则a极为Pb，A项错误；电源b为正极，右侧铂电极为阳极，在阳极，氯离子失电子产生氯气，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2，B项错误；交换膜左侧NaOH不参与电极反应，物质的量不变，X为Cl2，C项正确；电解池中阳离子向阴极移动，则制备18.1 g NaClO2即0.2 mol时理论上有0.2 mol Na＋由交换膜右侧向左侧迁移，D项错误。
2．某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示，该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。下列说法正确的是(　　)

A．该装置将化学能转化为光能和电能
B．该装置工作时，H＋从b极区向a极区迁移
C．每生成1 mol O2，有44 g CO2被还原
D．a电极的反应为：3CO2＋18H＋－18e－===C3H8O＋5H2O
答案　B
解析　根据图示可知，该装置将电能和光能转化为化学能，A项错误；电解池中，阳离子移向阴极，根据图示可知，H＋从b极区向a极区迁移，B项正确；该装置的总反应式为6CO2＋8H2O===2C3H8O＋9O2，根据反应方程式可知，每生成1 mol氧气，有 mol二氧化碳被还原，其质量是 g，C项错误；a电极为阴极，发生还原反应，电极反应式为3CO2＋18H＋＋18e－===C3H8O＋5H2O，D项错误。
3．(2020·北京卷，节选)已知反应2H2O2===2H2O＋O2↑能自发进行，反向不能自发进行，通过电解可以实现由H2O和O2为原料制备H2O2，如图为制备装置示意图。

(1)a极的电极反应式是____________________。
(2)下列说法正确的是____。
A．该装置可以实现电能转化为化学能
B．电极b连接电源负极
C．该方法相较于早期制备方法具有原料廉价、对环境友好等优点
解析 (1)结合H＋的移向，可判断a极为阴极，电极反应式是O2＋2H＋＋2e－===H2O2。(2)A项，2H2O2===2H2O＋O2↑能自发进行，反向不能自发进行，根据图示，该装置有电源，属于电解池，电解池是将电能转化为化学能的装置，正确；B项，电极b为阳极，电解池阳极与电源正极连接，错误；C项，该装置的总反应为2H2O＋O22H2O2，根据反应可知，制取双氧水的原料为氧气和水，来源广泛、原料廉价、对环境友好等，正确。
答案 (1)O2＋2H＋＋2e－===H2O2　(2)AC
4．(2020·全国卷Ⅱ，节选)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如下图所示：

(1)阴极上的反应式为______________________。
(2)若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为____。
解析 (1)由图可知，CO2在阴极得电子发生还原反应，电极反应为CO2＋2e－===CO＋O2－。(2)令生成乙烯和乙烷分别为2体积和1体积，根据阿伏加德罗定律，同温同压下，气体体积比等于物质的量之比，再根据得失电子守恒，得到发生的总反应为6CH4＋5CO2===2C2H4＋C2H6＋5H2O＋5CO，即消耗CH4和CO2的体积比为6∶5。
答案 (1)CO2＋2e－===CO＋O2－　(2)6∶5



1．(氯碱工业)下列有关工业生产氯气的说法中正确的是(　　)
A．工业上常电解熔融氯化钠来生产氯气
B．电解饱和氯化钠溶液可得到金属钠、氯气和氢气
C．每生产1 t氯气同时可得到1 t氢气
D．电解饱和食盐水的工业生产又称“氯碱工业”
答案　D
解析　工业上常电解饱和食盐水来生产氯气，A项错误；电解饱和氯化钠溶液可得到氢氧化钠、氯气和氢气，电解熔融氯化钠可得到金属钠和氯气，B项错误；每生产1 mol氯气同时可得到1 mol氢气，但二者质量不同，C项错误。
2．(电镀)在铁制品上镀一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是(　　)
A．锌作阳极，铁作阴极，溶液中含有锌离子
B．铂作阴极，铁作阳极，溶液中含有锌离子
C．铁作阳极，锌作阴极，溶液中含有亚铁离子
D．锌作阴极，铁作阳极，溶液中含有锌离子
答案　A
解析　电镀时，镀件作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电镀液，A项正确。
3．(电解原理的应用)下列描述中，不符合生产实际的是(　　)
A．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极
B．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极
C．电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阴极
D．在镀件上电镀锌，用锌作阳极
答案　A
解析　电解池的阳极发生失电子的氧化反应、阴极发生得电子的还原反应。电解熔融的Al2O3制Al时，若用Fe作阳极，阳极会发生反应Fe－2e－===Fe2＋，Fe2＋移动到阴极上发生反应Fe2＋＋2e－===Fe，使得到的Al不纯，A项不符合生产实际。
4．(电解相关的计算)将1 L含有0.4 mol Cu(NO3)2和0.4 mol KCl的水溶液用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 g Cu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解)(　　)
A．3.36 L B．5.6 L
C．6.72 L D．13.44 L
答案　B
解析　根据电解原理，阴、阳两极首先发生的电极反应为：阴极Cu2＋＋2e－===Cu，阳极2Cl－－2e－===Cl2↑。由题意可知，在阴极上析出Cu＝0.3 mol，则转移电子0.6 mol，根据电子得失守恒分析，阳极上Cl－消耗完后，OH－开始放电产生O2，即4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，经计算可知得到Cl2 0.2 mol，得到O2 0.05 mol，故阳极放出气体的总体积为(0.2 mol＋0.05 mol)×22.4 L·mol－1＝5.6 L。
5．(综合应用)如图所示，若电解5 min时，测得铜电极的质量增加2.16 g。试回答下列问题：

(1)电源中X极是____(填“正”或“负”)极。
(2)通电5 min时，B中共收集到224 mL(标准状况)气体，溶液体积为200 mL(电解前后溶液的体积变化忽略不计)，则通电前c(CuSO4)＝____。
(3)若A中KCl溶液的体积也是200 mL，则电解后溶液的pH＝____。
解析 (1)铜电极增重，说明银在铜电极析出，则铜电极为阴极，X为负极。(2)C中铜电极增重2.16 g，即析出0.02 mol Ag，线路中通过0.02 mol电子。由4e－～O2，可知B中产生的O2只有0.005 mol，即112 mL。但B中共收集到224 mL气体，说明还有112 mL H2，则通过0.01 mol电子时，Cu2＋已完全变为Cu单质。由2e－～Cu，可知n(Cu2＋)＝0.005 mol，则c(CuSO4)＝＝0.025 mol/L。(3)由4e－～4OH－知，A中生成0.02 mol OH－，则c(OH－)＝0.1 mol/L，即pH＝13。
答案 (1)负　(2)0.025 mol/L　(3)13