4.2 电解池（第1课时 电解原理）-2023-2024学年高二化学同步素养目标精品讲义（人教版选择性必修1）

                第四章  第二节  电解池第1课时  电解原理【学习目标】1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。2．了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和能量储存中的具体应用。【素养目标】1．通过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。培养学生“宏观辨识与微观探析”的学科素养。2．通过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。培养学生“证据推理与模型认知”的学科素养。必备知识与关键能力知识点一：电解原理1．电解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．电解装置——电解池(1)概念：将电能转变为化学能的装置。(2)构成条件①两个电极：阳极——与电源正极连接；阴极——与电源负极连接。②电解质溶液或熔融电解质。③直流电源。④构成闭合回路。示例探究(电解CuCl2溶液)总反应方程式：CuCl2 Cu＋Cl2↑。总反应离子方程式：Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑。(3)电解池工作原理①电解：使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。在此过程中，电能转化为化学能。②电解池：电能转化为化学能的装置，其构成条件：a.外接电源；b.电极插入电解质溶液或熔融电解质；c.闭合回路。③电解池工作原理示意图④电解池的阴极、阳极的判断方法【点拨】①电子流向：电源负极→阴极，阳极→电源正极②离子移动方向：阳离子移向阴极，阴离子移向阳极③电流闭合：电源正极→阳极→溶液→阴极→电源负极3．电极上离子放电顺序(1)阴极：与电极材料无关。氧化性强的先放电，放电顺序：(2)阳极：若是活性电极作阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应。若是惰性电极作阳极，放电顺序：①放电指的是电极上的得、失电子。②活性电极指的是除去Au、Pt以外的金属，惰性电极指的是Pt、Au、C电极，不参与电极反应。③阴极材料若为金属电极，一般是增强导电性但不参与反应。【点拨】(1)电解时必须使用直流电源，不能使用交流电源。(2)常见的惰性电极指石墨、铂(Pt)、金(Au)，活性电极是指金属活动性顺序中Ag和Ag之前的金属。(3)电解过程是化学变化，而金属的导电是物理变化；书写电解总反应式要注明“电解”或“通电”这一反应条件。(4)原电池装置和电解池装置的最大区别是看有无外接直流电源，有外接直流电源的是电解池。(5)解答电解类题目时首先判断阳极材料，确定是活性电极还是惰性电极，若为活性电极，则电极材料本身失去电子生成金属阳离子，而溶液中所有阴离子不再放电；若为惰性电极，则按电解质溶液中阴离子的放电顺序放电。 典例1．下列关于电解池工作原理的说法中，错误的是(　　)A．一种将电能转变成化学能的装置     B．电解池中阳极与直流电源的正极相连C．电解池工作时，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应D．与原电池不同，电解池放电时，电极本身不会参加电极反应【答案】D   【解析】电解池一种将电能转变成化学能的装置，发生的反应是非自发的氧化还原反应，电解池工作时，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。所以A、B、C都是正确的。电解池放电时，活性阳极会参加电极反应，D错误。典例2．如图，电解质溶液是NaCl的水溶液，经过一段时间发现d极附近有黄绿色气体产生，以下说法正确的是(    )A．a是电源的正极B．电子流动的方向：d→bC．c极发生氧化反应D．如果将c、d两电极互换，则c上也一定会生成黄绿色气体【答案】B   【解析】d极附近有黄绿色气体产生，应该是Cl－放电，说明d极是阳极，所以b是正极，A错；电子流向是电源负极→阴极、阳极→电源正极，即a→c、d→b，B对；c极得电子，化合价降低，发生还原反应，C错；如果c是活性电极，则c上不产生黄绿色气体，D错。典例3．为使反应Cu＋2H2O===Cu(OH)2↓＋H2↑能够发生，下列设计方案正确的是(     )A．用铜片作负极，石墨电极作正极，氯化钠溶液为电解质溶液构成原电池B．用铜片作电极，外接直流电源电解硫酸铜溶液C．用铜片作阳极，铁片作阴极，电解硫酸钠溶液D．用铜片作阴、阳电极，电解稀硫酸【答案】C   【解析】该反应为不能自发进行的氧化还原反应，必须设计为电解池才能发生。阳极为Cu放电，阴极为H2O电离出的H＋放电，即用Cu作阳极，电解质溶液中为H2O放电，选项C符合要求。知识点二：惰性电极电解电解质溶液规律(四种类型)类型电极反应特点电解质特点实例pH变化电解质溶液复原的方法电解水型阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑阳极反应式：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑含氧酸H2SO4减小加H2O可溶性强碱NaOH增大加H2O活泼金属含氧酸盐Na2SO4不变加H2O电解电解质型电解质电离出来的阴、阳离子分别在两极放电无氧酸HCl增大通HCl不活泼金属无氧酸盐CuCl2—加CuCl2放H2生碱型阴极：H2O放H2生碱阳极：电解质阴离子放电活泼金属无氧酸盐NaCl增大通HCl放O2生酸型阴极：电解质阳离子放电阳极：H2O放O2生酸不活泼金属含氧酸盐CuSO4减小加CuO 放H2生碱型(以NaCl为例)阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－电解电解质型(以HCl为例)阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑电解水型(以H2SO4为例)阳极反应式：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋阴极反应式：4H＋＋4e－===2H2↑放O2生酸型(以CuSO4为例)阳极反应式：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋阴极反应式：2Cu2＋＋4e－===2Cu总离子方程式：2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑ 【点拨】电解质溶液的恢复解决电解质溶液恢复原状的问题，可以按照下面两个步骤进行：(1)首先确定电极产物，如果是活性电极（金属活动性顺序中Ag以前的金属），则电极材料失去电子，电极溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极，则应按照阴、阳离子在溶液中的放电顺序进行判断。(2)恢复电解质溶液，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则。一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。如用惰性电极电解CuSO4溶液，要恢复电解质溶液，可向电解后的溶液中加入CuO，也可以加入CuCO3。但不能加入Cu(OH)2，因Cu(OH)2能与生成的H2SO4反应使水的量增加。加入物质的物质的量需根据电路中的电子守恒进行计算。典例4．用惰性电极实现下列电解实验，其说法正确的是(    )A．电解稀硫酸，实质上是电解水，故溶液的pH不变B．电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH－，故溶液的pH减小C．电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1D．电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1【答案】D  【解析】电解稀硫酸，实质上是电解水，溶液的体积减小，硫酸浓度增大，溶液酸性增强，pH减小，故A错误；电解稀氢氧化钠溶液，实质上是电解水，溶液的体积减小，NaOH浓度增大，溶液碱性增强，pH增大，故B错误；电解硫酸钠溶液，实质上是电解水，总反应为2H2O2H2↑＋O2↑，则阴极上析出H2和阳极上析出O2的物质的量之比为2∶1，故C错误；电解氯化铜溶液，实质上是电解氯化铜，总反应为CuCl2Cl2↑＋Cu，则阴极上析出Cu和阳极上析出Cl2的物质的量之比为1∶1，故D正确。典例5．用惰性电极进行电解，下列说法正确的是(    )A．电解NaNO3溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为2∶1B．电解CuSO4溶液一段时间后，加入一定质量的Cu(OH)2，溶液能与原溶液完全相同C．电解硫酸钠溶液时，Na＋向阳极移动D．电解KOH溶液，实质是电解水，故溶液pH不变【答案】A  【解析】A项，电解NaNO3溶液，在阴极上析出H2，阳极上析出O2，其物质的量之比为2∶1；B项，若阴极只有Cu2＋放电时，加入一定质量的Cu(OH)2，则比原溶液增加了水；若阴极Cu2＋、H＋都放电时，加入一定质量的Cu(OH)2，则溶液可能与原溶液完全相同；C项，电解硫酸钠溶液时，Na＋应向阴极移动；D项，实质是电解水，KOH浓度增大，溶液pH增大。典例6．用惰性电极电解硫酸铜溶液，整个过程转移电子的物质的量与产生气体总体积的关系如图所示(气体体积均在相同状况下测定)。欲使溶液恢复到起始状态，可向溶液中加入(    )A．0.1 mol CuO  B．0.1 mol CuCO3C．0.1 mol Cu(OH)2 D．0.05 mol Cu2(OH)2CO3【答案】D  【解析】根据图像和电解原理，O～P段电解反应的化学方程式为：2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，P～Q段电解反应的化学方程式为：2H2O2H2↑＋O2↑，所以溶液中应加入CuO： ＝0.1 mol，H2O：＝0.05 mol，分析四个选项，加入0.05 mol Cu2(OH)2CO3合适。知识点三：电极反应式和电解方程式的书写要点1．书写要点(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，金属一定被电解(注：Fe生成Fe2＋)。②二看电解质，电解质是否参与电极反应。③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。(2)规避“两个”失分点①书写电解池中电极反应式时，可以以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式，且注明“电解”条件。②电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。 2．电极反应式及总反应方程式的书写步骤[以惰性电极电解Cu(NO3)2溶液为例] 核心价值与学科素养1807年，年轻的化学家H.戴维在获悉刚发明的伏打电池被用于电解水并获成功后，立即决定采用这一在当时十分先进的手段来进行新元素的发现工作。他集中了250对金属板制成了当时最大的伏打电池组，用它作电源来电解氢氧化钾饱和溶液。但令人遗憾的并没有得到金属。经思索，戴维认为水的存在是电解氢氧化钾的障碍，于是决定改变实验条件，用电解熔融态的氢氧化钾来进行实验。通电后，发现在阴极附近逐渐有一些微小的金光闪闪的圆珠出现。 典例7．含有氰化物的废水危害极大，能毒杀各种鱼类和水生物。c(CN－)在0.01～0.04 mg·L－1时，就有强烈的毒杀作用。用如图所示装置除去CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体。 (1)若用石墨和铁作电极材料，      为阳极，      为阴极。 (2)阳极电极反应式                        ，阴极的电极反应式                          。 (3)写出除去CN－的离子反应方程式                                          。【答案】(1)石墨　铁。(2)Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O  2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。(3)2CN－＋5ClO－＋H2O===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－【解析】(1)若铁作阳极，则铁失电子生成Fe2＋，则CN－无法除去，故铁只能作阴极。(2)阳极Cl－放电生成ClO－，氯元素的化合价升高，故在阳极发生氧化反应，由已知该溶液呈碱性。阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应，在碱性条件下，H2O提供阳离子(H＋)。 (3)由于溶液是碱性条件，故除去CN－发生的反应为2CN－＋5ClO－＋H2O===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－。典例8．法国化学家莫瓦桑经过多次实验，在1886年通过电解法制得了F2。方法为在无水HF中电解KHF2制得单质氟。下列判断不正确的是(    )A．阳极产物为F2B．阴极的电极反应：2HF＋2e－===H2↑＋4F－C．该电解操作应该在通风橱中进行D．电解一段时间后，在相同条件下，阳极产生的气体体积比阴极的多【答案】D【解析】阳极发生氧化反应，F元素的化合价升高，阳极的电极反应为2F－－2e－===F2↑，故A正确；阴极上HF得电子生成H2，故B正确；F2有剧毒，必须在通风系统中进行电解，故C正确；电解时，总反应为2KHF22KF＋H2↑＋F2↑，因此电解一段时间后，在相同条件下，阴、阳极产生的气体体积相等，故D错误。典例9．2020年新型冠状病毒肺炎疫情在世界范围内暴发。病毒对消毒剂敏感，75%酒精、双氧水等均可灭活病毒。科学家报告了一种直接电化学合成H2O2的方法，装置如图。下列叙述不正确的是(    )A．该装置的工作原理是将化学能转化成电能B．b极发生的电极反应为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－C．电池工作时，内部发生反应：HO＋OH－＋2H＋===H2O2＋H2OD．电路中通过2 mol电子，消耗氧气22.4 L(标准状况)【答案】A【解析】该装置是电解池，将电能转化为化学能，A错误；b电极为阴极，O2得电子生成HO，电极反应式为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－，B正确；装置中阴极生成HO、OH－，阳极生成H＋，所以电池工作时，内部生成的HO、OH－与H＋反应生成H2O2和H2O，C正确；b电极为阴极，电极反应式为O2＋H2O＋2e－===HO＋OH－，电路中通过2 mol电子，消耗1 mol O2，标准状况下的体积为22.4 L，D正确。【跟踪练习】                           基础过关1． 载人空间站的生态系统中，要求分离人呼出的二氧化碳，同时需要提供氧气。某电化学装置利用太阳能转化的电能可以实现上述要求，同时还有燃料一氧化碳生成，该电化学装置中得电子的电极发生的反应是2CO2＋4e－＋2H2O===2CO＋4OH－。下列判断错误的是(　　)A．上述电化学装置相当于电解池B．上述装置进行的总反应式为2CO2===2CO＋O2C．反应结束后该电化学装置中的电解质溶液碱性增强D．失电子的电极发生的反应是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑2． 采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是(　　)A．阳极反应为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑B．电解一段时间后，阳极室的pH未变C．电解过程中，H＋由a极区向b极区迁移D．电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量3． 1807年化学家戴维电解熔融氢氧化钠制得钠：4NaOH(熔融)O2↑＋4Na↑＋2H2O；后来盖·吕萨克用铁与熔融氢氧化钠作用也制得钠：3Fe＋4NaOH===Fe3O4＋2H2↑＋4Na↑。下列有关说法正确的是(　　)A．戴维法制钠，阳极的电极反应式为Na＋＋e－===Na↑B．盖·吕萨克法制钠原理是利用铁的金属性比钠的强C．若用戴维法与盖·吕萨克法制得等量的钠，两方法转移的电子总数相等D．还可以用电解熔融氯化钠法制钠4． 在氯碱工业中，离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如下，下列说法不正确的是(　　)A．电极A为阳极，发生氧化反应生成氯气B．离子交换膜为阳离子交换膜C．饱和NaCl溶液从a处进，NaOH溶液从d处出D．OH－迁移的数量等于导线上通过电子的数量5． 用惰性电极电解法制备硼酸[H3BO3或B(OH)3]的工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子和阴离子通过)。下列有关说法正确的是(　　)A．阴极与阳极产生的气体体积比为1∶2B．b极的电极反应式为2H2O－2e－===O2↑＋4H＋C．产品室中发生的反应是B(OH)3＋OH－===B(OH)D．每增加1 mol H3BO3产品，NaOH溶液增重22 g                                   能力达成6． 科学家设计出质子膜H2S燃料电池，实现了利用H2S废气资源回收能量并得到单质硫。质子膜H2S燃料电池的结构示意图如图所示。下列说法错误的是(　　)A．电极a为电池的负极B．电极b上发生的电极反应：O2＋4H＋＋4e－===2H2OC．电路中每通过4 mol电子，在正极消耗44.8 L H2SD．每17 g H2S参与反应，有1 mol H＋经质子膜进入正极区10．某污水处理厂利用微生物电池将镀铬废水中的Cr2O72-催化还原，其工作原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)A．电池工作过程中电子由a极流向b极B．b极反应式：Cr2O72-＋6e－＋14H＋===2Cr3＋＋7H2OC．电池工作过程中a极区附近溶液的pH增大D．每处理1 mol Cr2O72-，可生成33.6 L(标况下)CO28． 知识的梳理和感悟是有效学习的方法之一。某学习小组将有关“电解饱和食盐水”的相关内容进行梳理，形成如下问题(显示的电极均为石墨)。(1)图1中，电解一段时间后，气球b中的气体是__________(填化学式)，U形管______(填“左”或“右”)边的溶液变红。(2)利用图2制作一种环保型消毒液发生器，可制备84消毒液的有效成分，则c为电源的________极；该发生器中反应的总离子反应式为_______________________________。(3)氯碱工业是高耗能产业，一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节(电)能30%以上。该工艺的相关物质运输与转化关系如图3所示(其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过)。①燃料电池B中的电极反应式分别为负极：__________________________________________________________________，正极：___________________________________________________________________。②分析图3可知，氢氧化钠的质量分数为a%、b%、c%，由大到小的顺序为________________。