人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池第一课时学案

第二节　电解池

第一课时　电解原理

[明确学习目标]　1.了解电解的概念，熟悉电解池的构成条件。2.理解电解原理。3.掌握电解池电极反应式和反应方程式的书写。

1．石墨棒作电极电解CuCl2溶液的实验探究

2．电解与电解池

(1)电解：使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。

(2)电解池

①定义

将电能转化为化学能的装置。

②构成

a．直流电源。

b．电解质溶液。

c．两个电极。

阴极与电源负极相连，阳极与电源正极相连。

d．形成闭合回路。

1．判断正误，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，阴极与电源正极相连，阳极与电源负极相连。(　　)

(4)电解池中，发生氧化反应的为阳极，发生还原反应的为阴极。(　　)

(5)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。(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×

2．下列说法不正确的是(　　)

A．不能自发进行的氧化还原反应，一般可以通过电解实现

B．电解质溶液导电是化学变化，金属导电是物理变化

C．电解池和原电池中均发生氧化还原反应

D．电解、电离、原电池均需要通电

答案　D

3．用石墨电极电解CuCl2溶液(如图所示)。下列分析正确的是(　　)

A．a端是直流电源的负极

B．通电使CuCl2发生电离

C．阳极上发生的反应：Cu2＋＋2e－===Cu

D．通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体

答案　A

知识点　电解池的工作原理分析

分析电解池的工作原理关键是写出两极反应式，根据两极反应式才能分析两极产物及变化，两极现象，溶液中某些成分的变化，并根据两极量的变化或生成物的量进行有关的计算。正确书写两极反应式的方法如下：

(1)找出电解质溶液(或熔融液)中所有自由移动的离子，只要有水就一定存在H＋和OH－。

(2)接通外界电源时，所有的阳离子定向移向电解池的阴极，在阴极上按氧化性由强到弱的顺序放电，即Mn＋＋ne－===M如：Cu2＋＋2e－===Cu、2H＋＋2e－===H2↑等；所有的阴离子定向移向电解池的阳极按还原性由强到弱的顺序放电，如果是活性电极(除石墨、Au、Pt以外的金属电极是活性电极)，则电极材料失去电子，被溶解；如果是惰性电极(是指石墨、Au、Pt等电极)，根据阴离子的放电顺序放电，如：2Cl－－2e－===Cl2↑、4OH－－4e－===O2↑＋2H2O等。

(3)阴离子在惰性电极上的放电顺序为：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－

阳离子放电顺序为：Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋

说明：在水溶液中，Al3＋、Mg2＋、Na＋、Ca2＋、K＋没有放电机会。金属离子放电通常生成相应的金属单质，Fe3＋则生成Fe2＋。

[解析]　由题意知，溶液中存在H＋、Cu2＋、Na＋、NO、Cl－、OH－，根据离子的放电顺序，阳离子：Cu2＋>H＋>Na＋，阴离子：Cl－>OH－>NO，则阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，故选B。

[答案]　B

方法指导

解答有关电解问题的步骤

(1)首先要判定是否为电解池，有外接直流电源则为电解池，否则不是电解池。

(2)对于电解池，首先要考虑阳极材料，若为惰性电极，溶液中的阴离子被氧化；若为活泼金属电极，则被氧化的是电极本身。

(3)若溶液中的阴、阳离子有多种，则根据离子放电顺序判定什么离子先放电，什么离子后放电，并写出电极反应式。

(4)根据电极反应式解答相关问题。

[练1]　下列叙述正确的是(　　)

①电解池是将化学能转变成电能的装置　②原电池是将电能转变成化学能的装置　③金属导电均为物理变化，电解质溶液导电是化学变化　④电解池两个电极材料可以相同

A．①②③④  B．仅③④

C．仅②③④  D．仅③

答案　B

解析　电解质溶液导电发生了氧化还原反应，是化学变化；金属导电仅是电子的定向移动，是物理变化。电解池的两极只要能导电即可。

[练2]　用石墨棒作电极，在Na＋、Cu2＋、Cl－、SO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，电解质的化学式是                。

答案　(1)Na2SO4' (2)CuSO4'(3)NaCl　(4)CuSO4

解析　(1)阴极有H2生成，阳极有O2生成，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(或电解盐酸，此处无H＋不合理)，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量为1∶4，知阳极产生的气体为O2,1 mol O2转移4 mol 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。

本课归纳总结

1．下列关于电解池的叙述中不正确的是(　　)

A．与电源正极相连的是电解池的阳极

B．与电源负极相连的是电解池的阳极

C．在电解池的阳极发生氧化反应

D．电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极

答案　B

解析　阳极与电源的正极相连，阴极与电源的负极相连；阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。电子流向：负极→阴极；阳极→正极。

2．下列关于用惰性电极电解NaCl溶液的叙述中，正确的是(　　)

A．电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B．若向阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色

C．若向阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液，溶液呈无色

D．电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

答案　B

解析　用惰性电极电解NaCl溶液，阳极的电极反应为2Cl－－2e－===Cl2↑，有Cl2生成；阴极的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，同时生成NaOH，故向阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液，溶液呈红色。Cl2可与KI反应生成I2，I2溶于水呈棕色。电解液中有NaOH生成，溶液呈碱性。

3．用惰性电极电解下列溶液，一段时间后，再加入一定质量的另一种物质(中括号内)，溶液能与原来溶液完全一样的是(　　)

A．NaCl[盐酸]  B．NaOH[H2O]

C．CuCl2[HCl]  D．CuSO4[Cu(OH)2]

答案　B

解析　电解NaCl溶液时，阳极氯离子放电生成氯气，阴极氢离子得到电子生成氢气，所以应加HCl让电解质溶液复原，A错误；电解NaOH溶液时，阳极产生氧气，阴极产生氢气，所以应加水让电解质溶液复原，B正确；电解CuCl2溶液时，阳极氯离子放电生成氯气，阴极析出铜，所以应加氯化铜让电解质溶液复原，C错误；电解CuSO4时，阳极产生氧气，阴极产生金属铜，所以应加CuO或CuCO3让电解质溶液复原，加入氢氧化铜会多加入水，D错误。

4．用石墨作电极，电解1 mol·L－1下列物质的溶液，则电解前后溶液的pH保持不变的是(　　)

A．硫酸   B．氢氧化钠

C．硫酸钠   D．氯化钠

答案　C

解析　用惰性电极电解硫酸、氢氧化钠溶液、硫酸钠溶液实质是电解水，浓度增大，硫酸溶液的pH减小，氢氧化钠溶液的pH增大，硫酸钠溶液的pH不变；电解氯化钠溶液时生成氢氧化钠，溶液的pH增大。

5．如图所示，烧杯中盛有足量的CuCl2溶液。

C是        极，发生        反应，电极反应为              ；Pt是        极，发生        反应，电极反应为                  。发生的总反应为                。若将Pt电极换成Zn电极，对该电极反应        (填“有”或“没有”)影响，说明原因并写出相应的电极反应：              。

答案　阴　还原　Cu2＋＋2e－===Cu　阳　氧化

2Cl－－2e－===Cl2↑　CuCl2Cu＋Cl2↑　有

活泼金属作阳极，活泼金属失电子，电极反应为Zn－2e－===Zn2＋

解析　与直流电源正极、负极相连的分别为电解池的阳极和阴极；阳极为惰性电极，则溶液中阴离子失电子；若将Pt电极换成Zn电极，即为活泼电极Zn失电子发生氧化反应。

课时作业

一、选择题(本题共8小题，每小题只有1个选项符合题意)

1．下列关于电解池的叙述中正确的是(　　)

A．电解池中的闭合回路仅由电子的定向运动形成

B．电子从电源的负极经导线流向电解池的阳极，从电解池的阴极经导线流向电源的正极

C．在电解质溶液中，阴离子向阴极移动，阳离子向阳极移动

D．相同时间内，阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等

答案　D

解析　电解池中的闭合回路是由电子在导线中的定向运动和离子在溶液中的定向移动形成的，A错误；电子从电源的负极经导线流向电解池的阴极，从电解池的阳极经导线流向电源的正极，B错误；在电解质溶液中，阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，C错误。

2．如图所示装置中，属于电解池的是(　　)

答案　C

解析　根据电解池的构成条件进行判断：装置A、B中无直流电源，装置D中不能形成闭合回路，A、B、D均不属于电解池。

3．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

答案　C

解析　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，电极反应为Cu2＋＋2e－===Cu，d电极质量不断增加。

4．下列能验证氯化钠溶液(含酚酞)电解产物的装置是(　　)

答案　D

解析　与直流电源的正极相连接的为阳极，阳极上发生氧化反应，失去电子，电子流回正极；与直流电源的负极相连接的为阴极，阴极上发生还原反应，接受负极输出的电子。据此判断，D项装置右电极为阳极，发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，可观察到碘化钾淀粉溶液变蓝，证明有Cl2生成；左电极为阴极，发生反应：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，可观察到阴极区溶液变红，证明有NaOH生成，收集的气体经点燃可证明为氢气。

5．下列有关用惰性电极电解AgNO3溶液一段时间后的说法，正确的是(　　)

A．电解过程中阳极的质量不断增加

B．电解过程中溶液的pH不断升高

C．此时向溶液中加入适量的Ag2O固体可使溶液恢复到电解前的状况

D．电解后两极产生的气体体积比为2∶1

答案　C

解析　用惰性电极电解AgNO3溶液，总的电解反应式为4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3，阴极上析出Ag，阳极上放出O2，A、D错误；由于生成HNO3，溶液的pH降低，B错误；要使溶液恢复到电解前的状况要加入的物质应是4Ag＋O2，即Ag2O，C正确。

6．关于下图所示①②两个装置的叙述正确的是(　　)

A．装置名称：①是原电池，②是电解池

B．硫酸浓度变化：①增大，②减小

C．电极反应式：①中阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，②中正极：Zn－2e－===Zn2＋

D．离子移动方向：①中H＋向阴极方向移动，②中H＋向负极方向移动

答案　B

解析　①为电解池，电解水，阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，硫酸的浓度增大；②为原电池，溶液中的氢离子移向正极，正极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，硫酸的浓度减小。

7．在pH＝x的下列电解质溶液中插入两个惰性电极，电解一段时间后测得溶液的pH<x，则该电解质溶液可能是(　　)

A．NaOH溶液   B．CuSO4溶液

C．KCl溶液   D．Na2SO4溶液

答案　B

解析　电解NaOH、Na2SO4溶液的本质均是电解水，前者pH增大，后者pH不变，A、D错误；电解KCl溶液时有KOH生成，溶液pH增大，C错误；电解CuSO4溶液时有H2SO4生成，pH减小，B正确。

8．如图所示装置中，a、b都是惰性电极，通电一段时间后，b极附近溶液呈蓝色。下列说法中不正确的是(　　)

A．x是正极，y是负极

B．a极产生氢气，b极生成I2

C．a极和Pt电极都有气泡产生

D．U形管中溶液的碱性增强

答案　A

解析　淀粉遇碘变蓝→b极生成I2，即确定b极发生反应2I－－2e－===I2，则b极是阳极，x是负极，y是正极，a极发生反应2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，产生氢气，U形管中总反应式为2KI＋2H2O2KOH＋H2↑＋I2，溶液的碱性增强，故A错误，B、D正确；石墨为阴极，铂为阳极，电极反应分别是Cu2＋＋2e－===Cu,2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，C正确。

二、选择题(本题共4小题，每小题有1个或2个选项符合题意)

9．下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是(　　)

答案　B

解析　A项，该原电池中，锌失电子作负极，铜作正极，正极上氢离子放电生成氢气，不符合题意；B项，该电解池中，阳极上铜失电子生成铜离子进入溶液，所以铜电极上不产生气泡，符合题意；C项，该原电池中，铁失电子作负极，铜作正极，正极上氢离子放电生成氢气，不符合题意；D项，该电解池中，阳极上银失电子发生氧化反应，阴极上氢离子放电生成氢气，不符合题意。

10. 某同学按如图所示的装置进行电解实验。下列说法正确的是(　　)

A．电解过程中，铜电极上有H2产生

B．电解初期，反应的化学方程式为Cu＋H2SO4CuSO4＋H2↑

C．电解一定时间后，石墨电极上有铜析出

D．整个电解过程中，H＋的浓度不断增大

答案　BC

解析　由题图装置可看出，Cu接电源正极作阳极，石墨接电源负极作阴极。则阳极反应：Cu－2e－===Cu2＋，阴极反应：2H＋＋2e－===H2↑(起始)，随着电解的进行，阳极产生的Cu2＋浓度增大，在电场的作用下向阴极移动，由于Cu2＋的氧化性强于H＋的，因此Cu2＋也会在阴极放电生成单质铜。在整个电解过程中，起始时H＋的浓度不断减小，随后基本保持不变。

11．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极的大于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

答案　BC

解析　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项正确、D项不正确。

12．在如图装置中，若通电一段时间后乙装置左侧电极质量增加，则下列说法正确的是(　　)

A．当甲装置中共产生标准状况下4.48 L气体时，Cu电极上质量增加43.2 g

B．电解过程中装置丙的pH无变化

C．向甲中通入适量的盐酸，可使溶液恢复到电解前的状态

D．乙中左侧发生氧化反应，右侧发生还原反应

答案　B

解析　分析题意可知，X为电源负极，Y为电源正极。由装置甲发生的反应可得两电极产生的气体体积相等，所以产生氢气为2.24 L，转移电子0.2 mol，则铜电极上生成Ag 0.2 mol，质量为21.6 g，A错误；装置丙阴极析出银单质，阳极上的银失去电子变成银离子，理论上溶液的物质的量浓度不变，pH保持不变，B正确；装置甲中开始的反应为2KCl＋2H2O2KOH＋H2↑＋Cl2↑，因此要使溶液恢复可通入适量HCl气体即可，加入盐酸多加入了水，C错误；乙中左侧发生还原反应，右侧发生氧化反应，D错误。

三、非选择题(本题共3小题)

13．如图所示，用惰性电极电解100 mL 0.5 mol·L－1 AgNO3溶液，a电极上的电极反应式为                ，若a电极产生560 mL气体(标准状况)，则所得溶液的c(H＋)＝        (不考虑溶液体积变化)，若要使电解质溶液恢复到电解前的状态，可加入        (填序号)，其物质的量为        mol。

a．Ag2O   b．AgOH

c．AgNO3   d．Ag2SO4

答案　4OH－－4e－===2H2O＋O2↑　1 mol·L－1　b　0.05

解析　a电极与电源正极相连，为电解池的阳极，溶液中氢氧根离子失去电子发生氧化反应，电极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑；a电极产生的560 mL气体为氧气，标准状况下物质的量为0.025 mol，消耗氢氧根离子的物质的量为0.1 mol，溶液中生成氢离子的物质的量为0.1 mol，c(H＋)＝＝1 mol·L－1。每消耗1 mol OH－，电路中转移1 mol e－，则消耗0.1 mol OH－需转移0.1 mol e－；在阴极，当Ag＋全部还原为Ag时，b电极得0.1 L×0.5 mol·L－1＝0.05 mol e－，则可知b极会有0.05 mol H＋放电生成H2。n(Ag)∶n(H)∶n(O)＝0.05 mol∶0.05 mol∶0.05 mol＝1∶1∶1，所以可加入0.05 mol AgOH使电解质溶液恢复到电解前的状态。

14．如图所示，甲、乙是电化学实验装置。

(1)若甲、乙两烧杯中均盛有NaCl溶液。

①甲中Fe棒上的电极反应式为                                      ；

②乙中总反应的离子方程式为                                   ；

③将湿润的淀粉­KI试纸放在乙烧杯上方，发现试纸先变蓝后褪色，这是因为过量的Cl2氧化了生成的I2。若反应中Cl2和I2的物质的量之比为5∶1，且生成两种酸，该反应的化学方程式为                                        。

(2)若甲、乙两烧杯中均盛有CuSO4溶液。

①甲中石墨棒上的电极反应式为                                     ；

②如果起始时乙中盛有200 mL pH＝5的CuSO4溶液(25 ℃)，一段时间后溶液的pH变为1，若要使溶液恢复到电解前的状态，可向溶液中加入        (填写物质的化学式)        g。

答案　(1)①Fe－2e－===Fe2＋

②2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－

③5Cl2＋I2＋6H2O===10HCl＋2HIO3

(2)①Cu2＋＋2e－===Cu　

②CuO(或CuCO3)　0.8(或1.24)

解析　(1)甲、乙两烧杯中均盛有NaCl溶液。①甲烧杯中Fe是负极，Fe棒上的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋；②乙是电解氯化钠溶液的装置，根据电子流向，可判断石墨是阳极，乙中总反应的离子方程式为

2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－；③若反应中Cl2和I2的物质的量之比为5∶1，且生成两种酸，根据得失电子守恒，5 mol氯气得电子10 mol,1 mol I2失电子10 mol，碘的化合价升高为＋5价，该反应的化学方程式为5Cl2＋I2＋6H2O===10HCl＋2HIO3。

(2)甲、乙两烧杯中均盛有CuSO4溶液。①甲为原电池，石墨为正极，石墨棒上的电极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu；②乙装置中电解反应为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，要使溶液恢复原状态，可加入CuO或CuCO3(可写为CuO·CO2)，一段时间后溶液的pH变为1，则c(H＋)＝0.1 mol/L，n(H＋)＝0.2 L×0.1 mol/L＝0.02 mol，则由电解反应可知，析出0.01 mol Cu和0.005 mol O2，由元素守恒可知，m(CuO)＝0.01 mol×80 g/mol＝0.8 g，或m(CuCO3)＝0.01 mol×124 g/mol＝1.24 g。

15．如图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100 g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100 g 10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。

(1)接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4浓度为10.47%，乙中c电极质量增加，据此回答问题：

①电源的N端为        极；

②电极b上发生的电极反应为                                     ；

③列式计算电极b上生成的气体在标准状态下的体积：                                 ；

④电极c的质量变化是        g。

(2)如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行？为什么？

答案　(1)①正' ②4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

③水减少的质量为100 g×≈4.5 g，生成O2的体积为××22.4 L·mol－1＝2.8 L　④16

(2)能继续进行。因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液，反应也就变为水的电解反应。

解析　(1)①乙中c电极质量增加，则c处发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu，即c为阴极，由此可推出b为阳极，a为阴极，M为负极，N为正极。②甲中相当于电解H2O，阳极b处为阴离子OH－放电，即4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。③丙中为K2SO4溶液，相当于电解水，设电解的水的质量为x，由电解前后溶质质量相等有100 g×10.00%＝(100 g－x)×10.47%，得x≈4.5 g，故为0.25 mol，整个反应中转移0.5 mol电子，而整个电路是串联的，故每个烧杯中的电极上转移电子数是相等的。转移0.5 mol电子，则生成O2的物质的量为0.5 mol÷4＝0.125 mol，标准状况下的体积为0.125 mol×22.4 L·mol－1＝2.8 L。④Cu2＋＋2e－===Cu，转移0.5 mol电子，则生成m(Cu)＝×64 g·mol－1＝16 g。

(2)铜全部析出后，可以继续电解水。