高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池导学案

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池导学案，共10页。学案主要包含了电解氯化铜溶液的实验探究，电解和电解池等内容，欢迎下载使用。
一、电解氯化铜溶液的实验探究
1．按如图所示装置完成实验，并填写下表
2．实验原理分析
(1)氯化铜溶液中存在的离子有Cu2＋、Cl－、H＋、OH－，通电前这些离子在溶液中作自由运动。
(2)通电时在电场的作用下，溶液中自由运动的离子作定向运动，即Cl－、OH－趋向a极，Cu2＋、H＋趋向b极。
(3)a极电极反应式是2Cl－－2e－===Cl2↑，b极电极反应式是Cu2＋＋2e－===Cu，总反应式是Cu2＋＋2Cl－eq \(=====,\s\up8(电解))Cu＋Cl2↑。
(4)结论：电解质溶液的导电过程，就是电解质溶液的电解过程。
如图是电解氯化铜溶液的装置，其中c、d为石墨电极，则下列有关判断正确的是( )
A．a为负极，b为正极
B．a为阳极，b为阴极
C．电解过程中，d电极质量增加
D．电解过程中，氯离子浓度不变
C [由图示电流方向可知， a是电源正极，b是电源负极；则c是电解池的阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，溶液中氯离子不断减少；d是电解池的阴极，电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，d电极质量不断增加。]
二、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)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。
2．电解池：将电能转化为化学能的装置。
3．电解池的电极名称
阴极：与直流电源负极相连的电极，发生还原反应；
阳极：与直流电源正极相连的电极，发生氧化反应。
4．电解池的构成条件
(1)具有直流电源；(2)两个电极(阴极、阳极)；(3)电解质溶液或熔融电解质；(4)形成闭合回路。
5．电子和离子移动方向
(1)电子：从电源负极流向电解池的阴极，从电解池的阳极流向电源的正极。
(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。
微点拨：(1)电解质溶液导电实际上是电解过程，发生氧化还原反应，是化学变化。 (2)金属导电是因为在电场作用下，自由电子发生定向移动，是物理变化。
(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程。(√)
(2)某些不能自发进行的氧化还原反应，通过电解可以实现。(√)
(3)直流电源跟电解池连接后，电子从电源负极流向电解池阳极。
(×)
(4)电解CuCl2溶液，阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。(×)
1．电解池工作原理(以惰性电极电解CuCl2溶液为例)
特别提醒：(1)金属活动性顺序中银前面的金属(含银)作电极时，由于金属本身可以参与阳极反应，称为金属电极或活性电极(如Zn、Fe、Cu、Ag等)；金属活动性顺序中银以后的金属或非金属作电极时，称为惰性电极，主要有铂(Pt)、石墨等。
(2)电解时，在外电路中有电子通过，而在溶液中是靠离子移动导电，即电子不通过电解质溶液。
2．电解池的阴、阳极的判断方法
3．电解时电极产物的判断
1．如图所示，a、b、c、d均为石墨电极，通电进行电解，下列说法正确的是( )
甲 乙
A．电路中电子流向：负极→d→c→b→a→正极
B．a、c两极产生气体的物质的量相等
C．SOeq \\al(2－,4)向b电极移动，Cl－向c电极移动
D．通电后乙烧杯滴入酚酞溶液d极附近会变红
D [电子只能在外电路中移动，故A错误；a极产生O2，c极产生Cl2，根据电子守恒O2～2Cl2～4e－，O2和Cl2的物质的量之比为1∶2，故B错误；阴离子向阳极移动，a和c是阳极，所以SOeq \\al(2－,4)向a电极移动，Cl－向c电极移动，故C错误；d极是阴极，电极反应式可表示为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，所以滴入酚酞溶液d极附近会变红，故D正确。]
2．电解原理在化学工业中有广泛的应用。如图所示为一电解池装置，U形管内装有电解液c，A、B是两块电极板，通过导线与直流电源相连。
(1)若A、B都是惰性电极，电解质溶液c是饱和NaCl溶液，实验开始时，同时在U形管两边各滴入几滴酚酞试剂，试判断：
①a电极是________极(填“正”或“负”)，B电极是_______极(填“阴”或“阳”)。
②A电极上的电极反应式为_____________________________，
B电极上的电极反应式为_______________________________。
③检验A电极上产物的方法是____________________________
_____________________________________________________。
(2)若图示装置为用惰性电极电解CuSO4溶液的装置，其中阴极上析出Cu的质量为3.2 g，则阳极上产生的气体在标准状况下的体积为________；常温下，若将电解后的溶液稀释至1 L，则溶液的pH约为________。
[解析] (1)根据电流的方向可知，a电极为电源的正极，b电极为电源的负极。A电极为阳极，发生氧化反应2Cl－－2e－===Cl2↑，B电极为阴极，发生还原反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。氯气可用湿润的淀粉碘化钾试纸检验。(2)用惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，根据电子守恒可知，n(O2)＝eq \f(1,2)n(Cu)＝eq \f(1,2)×eq \f(3.2 g,64 g·ml－1)＝0.025 ml，即标准状况下V(O2)＝0.025 ml×22.4 L·ml－1＝0.56 L；根据反应2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4可知，电解后溶液中n(H＋)＝4n(O2)＝0.1 ml，所以c(H＋)＝0.1 ml·L－1，pH＝1。
[答案] (1)①正 阴 ②2Cl－－2e－===Cl2↑ 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ ③把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近，试纸变蓝，则证明A电极上的产物为氯气 (2)0.56 L 1
实验1：将两根碳棒分别插进U形管内的CuCl2溶液中，如图①。
图① 图② 图③
实验2：将两根碳棒用导线连接后，浸入U形管内的CuCl2溶液中，如图②。
实验3：将两根碳棒分别跟直流电源的正极和负极相连接，浸入U形管内的CuCl2溶液中，再接通直流电，如图③。过一段时间后，再把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的电极附近。
[问题1] 实验1、实验2和实验3的现象有什么不同？实验3的两电极的现象是什么？
[提示] 实验1和实验2中均无明显现象。实验3中与直流电源负极相连的石墨棒上逐渐覆盖一层红色的铜，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。
[问题2] 实验3中CuCl2溶液中通电前离子如何运动？通电后离子如何运动？根据实验现象和氯化铜溶液的组成成分以及原有知识分析推断两极生成物的名称。
[提示] 通电前，Cu2＋、Cl－在溶液中作自由运动。通电时，Cu2＋和Cl－发生了定向运动。根据实验现象可知，与电源负极相连的一极有Cu生成，与电源正极相连的一极有Cl2生成。
[问题3] 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或失电子？
[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。
[问题4] 溶液中有多种离子时，怎样判断电极产物？
[提示] 根据阳离子放电顺序判断阴极产物，根据电极材料的阴离子放电顺序判断阳极产物。
1．电极反应规律
(1)阴极：无论是惰性电极还是活泼电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。阳离子放电顺序：Ag＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Fe2＋>Zn2＋……
(2)阳极：溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化，或者电极材料本身失去电子被氧化而溶入溶液中。其放电顺序：活泼金属阳极>S2－>I－>Cl－>OH－>含氧酸根。
2．酸、碱、盐溶液电解规律(惰性电极)
用惰性电极电解下列酸、碱、盐溶液，请填写下表：
1．(2021·北京丰台区期中)以石墨作电极，电解AgNO3溶液，可在两极分别得到Ag和O2，下列说法正确的是( )
A．氧化性：Ag＋＞H＋，还原性：NOeq \\al(－,3)＞OH－
B．Ag附着在阳极：Ag＋＋e－===Ag
C．电解过程中溶液的酸性将逐渐减弱
D．电路中每转移1 ml电子，可生成1 mlAg和0.25 ml O2
D [氧化性：Ag＋＞H＋，还原性：NOeq \\al(－,3)＜OH－，A错误；阴极上银离子放电Ag＋＋e－===Ag,B错误；用石墨作电极电解AgNO3溶液的离子方程式为4Ag＋＋2H2Oeq \(=====,\s\up8(电解))4Ag＋O2↑＋4H＋，溶液的酸性将逐渐增强，C错误；阳极上氢氧根离子放电4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极上银离子放电Ag＋＋e－===Ag，电路中每转移1 ml电子，可生成1 mlAg和0.25 ml O2,D正确。]
2．(2021·湖南师大附中校级月考)某化学实验小组同学用惰性电极电解饱和食盐水(含少量Ca2＋、Mg2＋)，并进行如图相关实验，电解一段时间后，各部分装置及对应的现象为(1)中黑色固体变红；(2)中电极a附近溶液出现浑浊；(3)中溶液出现浑浊；(4)中溶液红色褪去。下列对实验现象解释不合理的是( )
A．(1)中红色物质中可能含有少量氧化亚铜
B．(2)中a电极附近浑浊是Mg(OH)2所致
C．(3)中发生了置换反应
D．(4)中红色褪去是因为NaOH被消耗，溶液不再具有强碱性所致
D [电解过程中，电极a生成H2，电极b生成Cl2；(1)中CuO高温下可分解为Cu2O和O2,A正确；(2)中电极a发生反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，生成的OH－与溶液中的Mg2＋结合生成Mg(OH)2使溶液浑浊，B正确；(3)中发生反应Cl2＋Na2S===2NaCl＋S↓，该反应为置换反应，C正确；(4)中过量的Cl2通入含酚酞的NaOH溶液中，溶液褪色的原因可能是H＋中和了OH－，也可能是Cl2与H2O反应生成的HClO的强氧化性所致，D错误。]
(1)水溶液中，K＋、Na＋、Mg2＋、Al3＋等离子不可能在阴极放电，即用电解相应水溶液的方法不可能得到K、Na、Mg、Al等活泼金属。
(2)电解池的阴极不管是惰性电极Pt、石墨还是活性电极，都是电解质溶液或熔融电解质中的阳离子放电，电极本身不可能溶解。
(3)若阴极为H＋放电，则阴极区cOH－增大；若阳极为OH－放电，则阳极区cH＋增大；若阴极为H＋放电，同时阳极为OH－放电，相当于电解水，电解质溶液浓度增大饱和溶液例外。
(4)电解质溶液恢复原状的方法：少什么加什么，少多少加多少。
1．如下图所示装置中，属于电解池的是( )
A B C D
C [根据电解池的构成条件进行判断：装置A、B、D中无直流电源，装置D中不能形成闭合回路，A、B、D不属于电解池。]
2．(2021·北京丰台区高二期中)下列关于电解的说法不正确的是( )
A．电解是将电能转化为化学能的过程
B．电解池的阳极与电源的正极相连，发生氧化反应
C．电解时，电子由电源负极流向阴极，通过电解质溶液到达阳极
D．许多在通常条件下不能发生的氧化还原反应，可以通过电解实现
C [电解是将电能转化为化学能的过程，A正确；与正极相连的为阳极，阳极上失电子发生氧化反应，B正确；电解质溶液的导电是因离子的定向移动，电子只流经外电路，C错误；不能自发进行的氧化还原反应，通过电解的原理有可能实现，如铜和稀硫酸的反应，铜为阳极被氧化，可生成硫酸铜，D正确。]
3．用石墨作电极，电解下列物质的溶液，其实质不是电解水的是( )
A．NaNO3 B．NaOH
C．Na2SO4 D．BaCl2
D [电解BaCl2溶液时，阳极上氯离子放电，阴极上氢离子放电，其实质不是电解水。]
4．如图为直流电源电解稀硫酸钠溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列实验现象中正确的是( )
A．a电极附近呈红色，b电极附近呈蓝色
B．a电极附近呈蓝色，b电极附近呈红色
C．逸出气体的体积，a极的小于b极的
D．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体
B [a极为阴极，H2O电离出的H＋放电，促进H2O的电离平衡向右移动，c(OH－)增大，石蕊溶液变蓝色；b极为阳极，H2O电离出的OH－放电，c(H＋)增大，石蕊溶液变红色，A项不正确，B项正确。a极产生H2，b极产生O2，H2的体积是O2体积的2倍，故C、D项不正确。]
5．用石墨作电极，在Na＋、Cu2＋、Cl－、SOeq \\al(2－,4)等离子中选出适当离子组成电解质，电解其溶液，写出符合条件的一种电解质的化学式。
(1)当阴极放出H2，阳极放出O2时，电解质是________。
(2)当阴极析出金属，阳极放出O2时，电解质是________。
(3)当阴极放出H2，阳极放出Cl2时，电解质是________。
(4)通过电子的物质的量与阴极析出的金属的物质的量、阳极放出的气体的物质的量之比为4∶2∶1时，电解质是________。
[解析] 惰性电极电解电解质溶液的类型有电解水型、电解电解质型、放氢气生碱型和放氧气生酸型。再根据阴、阳离子在电极的放电顺序判断。(1)实质为电解水，故电解质是活泼金属的含氧酸盐，即Na2SO4。(2)实质为放氧气生酸型，即电解质为不活泼金属的含氧酸盐，即CuSO4。(3)实质为放氢气生碱型，即电解质为活泼金属的无氧酸盐，即NaCl。(4)由阳极生成气体和转移电子的物质的量之比为1∶4，知阳极产生气体为O2,1 ml O2转移4 ml e－，金属与电子的物质的量之比为1∶2，故金属为＋2价，即Cu2＋，即为CuSO4。
[答案] (1)Na2SO4 (2)CuSO4 (3)NaCl (4)CuSO4
学 习 任 务
1．从宏观和微观的角度理解电解池中电子的移动、阴阳离子的移动、阴阳两极上的反应及其变化、电流形成的过程和原理，培养宏观辨识与微观探析的化学核心素养。
2．建立对电解过程的系统分析认识的思维模型，理解电解的规律，会判断电解的产物，会书写电解的电极反应式和总反应式，培养证据推理与模型认知的化学核心素养。
实验现象
实验结论
电流表指针发生偏转
说明电解质溶液导电，形成闭合回路
与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层红色物质
析出金属铜
与正极相连的a极上有刺激性气味的气体产生，能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝
产生了氯气
电解池中电极及电解产物的判断
探究电解池的电解规律
电解质及类别
电极反应式
电解物质
pH变化
溶液复原方法
电解水型
H2SO4含氧酸
阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
阴极：4H＋＋4e－===2H2↑
H2O
减小
加入H2O
NaOH强碱
增大
Na2SO4活泼金属的含氧酸盐
不变
电解电解质型
HCl无氧酸
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极：2H＋＋2e－===H2↑
HCl
增大
加入HCl
CuCl2不活泼金属的无氧酸盐
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极：Cu2＋＋2e－===Cu
CuCl2
－
加入CuCl2
放H2生碱型
NaCl活泼金属的无氧酸盐
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：2H＋＋2e－===H2↑
NaCl、H2O
增大
加入
HCl
放O2生酸型
CuSO4不活泼金属的含氧酸盐
阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu
CuSO4、H2O
减小
加入CuO或CuCO3