高中化学鲁科版 (2019)选择性必修1第3节 电能转化为化学能——电解第1课时学案设计

第3节　电能转化为化学能——电解

第1课时　电解的原理

学习目标

1.通过对电解池构成的探究,掌握电解池的工作原理。

2.通过对比四种电解类型,掌握不同类型电解的区别与联系。

学习任务1　探究电解池的工作原理

1.电解的概念:将直流电通过熔融电解质或电解质溶液,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。

2.电解池及构成条件

(1)电解池:将电能转化为化学能的装置。

(2)电解池构成条件。

①直流电源(电能提供装置)。

②固体电极材料(一般为金属、石墨或某些特殊导电性材料)。

③电解质(熔融或溶液状态)。

④构成闭合回路。

3.电解池电极的判断

　某同学用硫酸铜溶液作电解液,用铜管作电极连在电池的正极上,放入硫酸铜溶液中。然后用鳄鱼夹夹住一枚硬币并连接在电池的负极上,然后把硬币放入硫酸铜溶液中。过一段时间取出来,发现硬币变为铜币。该同学认为这是一个电解装置。这是否科学呢?我们一起探究。

探究　电解池的工作原理

问题1:直流电源在该装置(电解池)中的作用是什么?

提示:直流电源为电解装置提供能量,并强制电子转移以达到发生氧化还原反应的目的。

问题2:该装置中硬币电极上发生什么反应?硬币是阳极还是阴极?

提示:由于电源电子流向该极,所以电极表面的氧化剂(Cu2+)就会在此电极上得电子发生还原反应,发生的电极反应为Cu2++2e-Cu,所以硬币表面析出Cu变为铜币;硬币是阴极。

问题3:该装置中铜管电极上发生什么反应?铜管是阳极还是阴极?

提示:由于电源强制移走了该电极的电子,所以该电极(Cu)发生氧化反应,发生的电极反应为Cu-2e-Cu2+;铜管是阳极。

电解的原理

1.(2021·江苏扬州期中)如图所示的电解装置可实现低电位下高效催化还原CO2。下列说法不正确的是(　C　)

A.a极连接外接电源的负极

B.b极的电极反应为Cl--2e-+2OH-ClO-+H2O

C.电解过程中Na+从左池移向右池

D.外电路上每转移1 mol电子,理论上可催化还原标准状况下CO2气体11.2 L

解析:从图示中可以看出,b极上Cl-失去电子生成ClO-,b极为电解池阳极,a极上CO2得到电子生成CO,a极为电解池阴极;与b极相连的电源电极为正极,与a极相连的电源电极为负极。根据分析,a极与外接电源的负极相连,A正确;因右池电解液中含有大量的OH-,故b极的电极反应为Cl--2e-+2OH-H2O+ClO-,B正确;电解池中阳离子移向阴极,故电解过程中Na+从右池移向左池,C不正确;根据B选项的电极反应及得失电子守恒,每转移2 mol电子,可还原标准状况下22.4 L的CO2,故电路中转移1 mol电子,可还原标准状况下11.2 L的CO2,D正确。

2.(2021·江西新余月考)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,下列说法正确的是(　C　)

A.电路中转移1 mol电子,需消耗氧气5.6 L

B.正极区发生的反应有Fe3++e-Fe2+、4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O

C.整个过程的总反应为4HCl+O22Cl2+2H2O

D.Fe2+在过程中起催化剂作用

解析:根据题图,左边元素化合价降低,得到电子,为电解池的阴极,右边元素化合价升高,失去电子,为电解池的阳极。不清楚是否为标准状况,无法计算氧气的体积,故A错误;电解池阴极发生的反应为Fe3++e-Fe2+、4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O,故B错误;阳极反应为2Cl--2e-Cl2↑,总反应为4HCl+O22Cl2+2H2O,故C正确;总反应为4HCl+O22Cl2+2H2O,根据题中信息得到Fe3+在过程中起催化剂作用,故D错误。

学习任务2　离子放电顺序与四种电解类型

一、离子放电顺序

1.阳离子在阴极放电顺序

Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(H2O)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。

微点拨:酸中H+放电优先于水中的H+,因为酸溶液中H+浓度大于水中H+浓度,氧化剂浓度越大,氧化性越强。

2.阴离子在阳极放电顺序

S(或其他含氧酸根离子)<OH-<Cl-<Br-<I-<S2-<活泼金属阳极。

微点拨:如果阳极是活泼金属电极,那么最优先放电的是阳极材料本身,此时阳极活泼金属一般失电子变为阳离子进入电解质溶液;常见惰性电极有Au、Pt、Ti、石墨。

二、四种常见电解类型(惰性电极)

1.电解水型

2.电解电解质型

3.放H2生碱型

微点拨:电解NaCl溶液,复原不能加盐酸,因为盐酸中除了HCl还有水,所以加盐酸后导致溶液浓度低于原溶液。

4.放O2生酸型

微点拨:电解CuSO4溶液,复原不能加Cu(OH)2,加入Cu(OH)2后与H2SO4反应产生的水多于电解消耗的水,导致溶液比原溶液浓度低。

　某同学学习过程中,看到课本中离子放电顺序是H+>Zn2+。该同学父亲在电镀锌工厂上班,通过父亲他了解到电镀锌是用ZnSO4溶液作电解质溶液。该同学感到迷惑,按照课本知识,不应该是氢离子得电子优先放电吗?怎么能给镀件镀上一层锌呢?我们帮他一起探究一下离子放电顺序问题。

探究　为什么离子放电顺序不同

问题1:不同离子的氧化能力、还原能力是否相同?放电顺序与氧化、还原能力有何关系?

提示:不同离子的氧化能力、还原能力各不相同,所以放电(即反应)顺序也不相同。一般氧化能力强的优先在阴极得电子(放电),还原能力强的优先在阳极失电子(放电)。

问题2:离子放电顺序是否一成不变?

提示:不是一成不变,浓度不同、温度不同、电解电流强度不同都会影响放电顺序。如按放电顺序Cl->OH-,理论上电解NaCl溶液时阳极先产生Cl2而不会产生O2,但实际上如果电解电流强度很大,两者会同时产生,阳极附近Cl-由于扩散速度的限制,浓度变得很低,因此OH-就会放电产生氧气,这体现了电解电流对放电顺序的影响。

问题3:为什么电镀锌用ZnSO4溶液作电解质溶液时,是Zn2+优先放电而不是H+?

提示:放电顺序H+>Zn2+,前提是两者浓度相同,即酸性很强时的一种结果。实际电镀锌时Zn2+浓度大约为3.5 mol·L-1,而pH为2～3,也就是氢离子浓度为0.001～0.01 mol·L-1,再加上电解电流等工艺控制,因此实际电镀过程中Zn2+优先于H+放电。

电解过程离子放电顺序是一个非常复杂的问题。首先应该从题目所给信息分析,电极上发生氧化反应肯定是阳极反应,发生还原反应肯定是阴极反应。若题目没有信息才考虑根据离子放电顺序分析。

1.(2021·黑龙江哈尔滨月考)用石墨作电极电解CuSO4与NaCl的混合溶液,阴极和阳极上最先析出的物质分别为(　B　)

A.H2和Cl2 B.Cu和Cl2

C.H2和O2 D.Cu和O2

解析:用石墨作电极电解CuSO4与NaCl的混合溶液,阳极放电顺序为Cl->OH->S,所以阳极上最先析出的物质为Cl2,阴极的放电顺序为Cu2+>H+>Na+,所以阴极上最先析出的物质为Cu,故B符合题意。

2.(2021·福建福州期中)按图甲装置进行实验,若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量,下列叙述正确的是(　B　)

A.电解过程中,Cu2+浓度保持不变

B.E可以表示反应生成Cu的物质的量

C.电解过程中,石墨棒附近溶液的pH有所增大

D.若电解过程中共转移了4 mol电子,则需向烧杯中加入80 g CuO才能使电解质恢复到原状态

解析:该实验是用石墨作阳极,铜单质作阴极,电解硫酸铜溶液。阳极反应是2H2O-4e-4H++O2↑,阴极反应是Cu2++2e-Cu。据分析,电解过程中,Cu2+浓度不断减小,A错误;由E可看出电极通过4 mol电子得到2 mol物质,符合铜与电子的化学计量关系,E可以表示反应生成Cu的物质的量,B正确;据分析,电解过程中,石墨棒附近溶液的酸性增强,pH减小,C错误;若电解过程中共转移了4 mol电子,则体系析出氧气1 mol,析出铜2 mol,要使电解质恢复到原状态需要2 mol CuO,质量是160 g,D错误。

3.(2021·河南南阳期中)用惰性电极分别电解下列各组中的三种溶液,电解过程中,溶液中pH依次为减小、不变、增大的是(　D　)

A.HCl、HNO3、K2SO4 

B.AgNO3、CuCl2、Cu(NO3)2

C.CaCl2、KOH、NaNO3 

D.CuSO4、Na2SO4、KCl

解析:电解HCl时生成氯气和氢气,电解本身,电解HNO3时生成氢气和氧气,即电解水型,电解K2SO4时生成氢气和氧气,即电解水型,溶液的pH依次为增大、减小、不变,故A错误;电解AgNO3时会生成硝酸、银和氧气,溶液的pH减小,氯化铜溶液呈酸性,电解CuCl2时会生成铜和氯气,电解后浓度减小,溶液的pH增大,电解Cu(NO3)2时会生成铜、硝酸和氧气,溶液的pH减小,故B错误;电解CaCl2时生成氢氧化钙、氯气和氢气,电解KOH时生成氢气和氧气,即电解水型,电解NaNO3时生成氢气和氧气,即电解水型,溶液的pH依次为增大、增大、不变,故C错误;电解CuSO4时生成铜和氧气以及硫酸,电解Na2SO4时生成氢气和氧气,即电解水型,电解KCl时会生成氢气、氯气和氢氧化钾,溶液的pH依次为减小、不变、增大,故D正确。

电解类型分析:①若H+、OH-在两极放电则为电解水型;②若电解质的阴、阳离子分别在阳、阴极放电则为电解电解质型;③若水的H+、电解质的阴离子(常见Cl-)在两极放电则为放氢生碱型;④若水的OH-、电解质的阳离子(一般为H后的金属离子,比如Cu2+、Ag+)在两极放电则为放氧生酸型。

【知识整合】

一、电解池的工作原理

二、电解时电极产物的判断

【易错提醒】

1.误认为离子放电顺序是一定的,不会改变。其实不然,离子放电顺序是各离子浓度相同、且浓度较小时的一种理论上的理想情况。离子浓度改变、温度改变、电极材料改变、电解电流改变都可能会影响放电顺序。所以要根据题目信息做出判断,若无任何信息才可根据放电顺序分析。

2.误认为离子跑得很快。其实不然,离子在溶液中运动速度都比较慢。比如电解氯化钠溶液,阴极放氢生碱产生大量OH-,会导致酚酞变红,有些同学认为OH-移向阳极,阳极附近溶液变红是错误的。

3.误认为没有生碱或生酸则溶液pH不变。其实不然,很多电解过程有H2O的消耗或产生,也会对H+、OH-的浓度产生影响从而引起pH变化。比如电解NaOH溶液,既没有生成酸也没有生成碱,但电解消耗了水导致c(NaOH)增大而碱性增强,因此其pH增大。