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

第3节　电能转化为化学能——电解

第1课时　电解的原理

1．电解熔融氯化钠实验

微点拨：电解质的导电过程是被电解的过程，属于化学变化；金属导电过程是电子的定向移动，属于物理变化。

2．基本概念

(1)电解：让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，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

①定义：将电能转化为化学能的装置。

②构成条件：直流电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融的电解质并构成闭合回路。

(3)电极

阳极——发生氧化反应的电极(与电源正极相连)，

阴极——发生还原反应的电极(与电源负极相连)。

(4)电极反应

在电极上进行的半反应，可以用电极反应式表示。

3．电解池的工作原理

微点拨：(1)放电：离子在电极表面得到或失去电子的过程。

(2)水中存在平衡：H2OH＋＋OH－，当OH－和H＋的浓度改变时，平衡发生移动。

1．判断对错(对的在括号内打“√”，错的在括号内打“×”。)

(1)与电源正极相连的是电解池的阴极。(　　)

(2)用惰性电极电解NaCl溶液时可以得到Na和Cl2。(　　)

(3)电解池工作时，阳极发生还原反应，失去电子。(　　)

(4)电解池工作时，阳极上的电子通过电解质溶液移向阴极。(　　)

(5)电解AgNO3溶液时，Ag＋移向阳极，NO移向阴极。(　　)

提示：(1)×　电解池的阳极连接电源的正极。

(2)×　用惰性电极电解NaCl溶液得H2、Cl2、NaOH。

(3)×　电解过程中，阳极发生氧化反应。

(4)×　电解池中电子不通过电解质溶液。

(5)×　电解池中，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。

2．将下面的电极反应与对应的电极名称连线。

①Na＋＋e－===Na

②氧化反应　　　　　　　 A．阳极

③还原反应

④4OH－－4e－===2H2O＋O2↑   B．阴极

[答案]　①—B　②—A　③—B　④—A

3．用石墨棒作阳极、铁棒作阴极电解熔融的氯化钠，下列说法正确的是

(　　)

A．石墨棒周围有大量的Na＋

B．铁棒质量增加

C．电子通过熔融电解质由石墨棒流向铁棒

D．阴极发生氧化反应

B　[阴离子移向阳极(石墨棒)，发生氧化反应2Cl－－2e－===Cl2↑，阳离子移向阴极，发生还原反应2Na＋＋2e－===2Na，A、D项错误，B项正确；电子不能通过熔融电解质，熔融的电解质是由于其内部自由移动的离子定向移动而导电的，C项错误。]

电极产物的判断　电极反应式的书写

(素养养成——宏观辨识与微观探析)

CuCl2溶液的电解

实验目的：以电解氯化铜溶液为例研究电解的基本原理。

实验步骤：在U形管中注入CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极(如图)，把湿润的淀粉碘化钾试纸放在与直流电源正极相连的电极附近，接通电源。

实验现象：阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色的铜，在阳极石墨棒上有刺激性气味气体产生，且使湿润的淀粉碘化钾试纸变成蓝色。

1．分析上述电解池工作时，电子的流向、离子的运动方向，并在上图的基础上，绘制出电解池工作时，是如何构成闭合回路的？

提示：接通外接电源后，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，阳离子向阴极移动，在阴极上得电子，发生还原反应，阴离子向阳极移动，在阳极上失去电子，发生氧化反应，电子由阳极流出，并沿导线流回电源的正极，如图所示。

2．根据上述实验现象分析，电解过程中在阴极、阳极上各发生什么反应？其电极反应式分别是什么？电解的总反应式是什么？

提示：氯离子在阳极上失去电子发生氧化反应，铜离子在阴极上得电子发生还原反应，电极反应式分别为

阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)

阴极：Cu2＋＋2e－===Cu(还原反应)

总反应方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑

1．电解时电极产物的判断——“阳失阴得”

2．电解池的阴极、阳极的判断方法

3．电解池电极反应式及电解总反应式的书写步骤

【例1】　如图所示，下列有关实验现象的描述正确的是(　　)

C　[a电极为阴极，得到电子，发生还原反应，b电极为阳极，失去电子，发生氧化反应。A项，a电极上有铜生成，质量增加，b电极上有黄绿色的氯气生成，A项错误；B项，a电极上有氢气生成，质量不变，b电极上有无色的氧气生成，B项错误；C项，a电极上有铜生成，质量增加，b电极为活泼电极，铜失去电子转化为铜离子，质量减少，C项正确；D项，a电极上有无色的氢气生成，b电极上有黄绿色的氯气生成，D项错误。]

【例2】　用如图所示装置除去含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。下列说法不正确的是(　　)

A．用石墨作阳极，铁作阴极

B．阳极的电极反应式：Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O

C．阴极的电极反应式：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

D．除去CN－的反应：2CN－＋5ClO－＋2H＋===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋H2O

D　[石墨作阳极，为惰性电极，溶液中的Cl－放电，电极反应式：Cl－＋

2OH－－2e－===ClO－＋H2O，铁作阴极，在碱性环境下发生：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故A、B、C正确；D选项pH为9～10的碱性溶液不可能是H＋参加反应，离子反应应为2CN－＋5ClO－＋H2O===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－。]

(1)书写电解池中电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成化学式。

(2)书写两极电极反应式时，要确保两极得失电子数目相等。

(3)铁作阳极时，铁失去电子生成Fe2＋而不是Fe3＋。

(4)书写电极反应式时，要判断阳极溶解生成的阳离子是否和电解质溶液中的阴离子发生反应。

1．用惰性电极电解稀硫酸、Cu(NO3)2、NaCl的混合液，最初一段时间阴极和阳极上析出的物质分别是(　　)

A．H2和Cl2 B．Cu和Cl2

C．H2和O2 D．Cu和O2

B　[溶液中的离子有H＋、Cu2＋、Na＋及SO、NO、Cl－、OH－七种离子，得电子能力：Cu2＋＞H＋＞Na＋，失电子能力：Cl－＞OH－＞含氧酸根，所以电解初期阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，故选B。]

2．如图所示装置为在直流电源的作用下电解CuSO4溶液的装置，其中A、B为石墨电极，a、b为电源的两极，当接通电源，通电一段时间后，将B电极取出，洗干净并干燥后称量，其质量增加了3.2 g，则：

(1)a电极为电源的________极。

(2)写出电极反应式：A极__________________，B极_________________。

(3)若使反应后的溶液恢复到原来状态，则应该加入________，加入________g。

[解析]　B电极质量增加，则B电极为电解池的阴极，阴极发生还原反应，铜离子得到电子转化为铜单质，阴极与电源的负极相连，因此b电极为电源的负极、a电极为电源的正极。A电极为电解池的阳极，发生氧化反应，水失去电子转化为氧气和氢离子。应补充氧化铜使电解质溶液恢复到原来状态，阴极析出的铜的质量为3.2 g，而氧化铜中铜的质量分数为80%，因此需要补充的氧化铜的质量为4.0 g。

[答案]　(1)正　(2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

2Cu2＋＋4e－===2Cu 　(3)CuO　4.0

用惰性电极电解电解质水溶液的类型总结

(素养养成——证据推理与模型认知)

1．利用图中装置分别电解Na2SO4溶液、NaOH溶液和稀硫酸能产生装置中的现象吗？为什么？

提示：能。因为电解Na2SO4溶液、NaOH溶液、稀硫酸实质上都是电解水。阳极(A试管内)发生：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O；阴极(B试管内)发生：4H＋＋4e－===2H2↑。

2．利用图中装置分别电解饱和NaCl溶液、NaNO3溶液产生的现象相同吗？为什么？

提示：不相同。因为电解饱和NaCl溶液，阳极(A试管内)发生：2Cl－－2e－===Cl2↑，阴极(B试管内)发生：2H＋＋2e－===H2↑，若不考虑Cl2、H2的溶解，理论上气体体积相同；电解NaNO3溶液实质是电解水，阳极(A试管内)发生：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极(B试管内)发生：4H＋＋4e－===2H2↑，两者的体积比为1∶2。

【例3】　(双选)用惰性电极进行下列电解，有关说法正确的是(　　)

①电解稀硫酸　②电解Cu(NO3)2溶液　③电解KOH溶液　④电解NaCl溶液

A．通电进行一段时间后四份溶液的pH均增大

B．反应②中通电一段时间后，向溶液中加入适量的CuO固体可使溶液恢复到电解前的情况

C．反应③中阳极消耗OH－，故溶液浓度变小

D．反应④中阴、阳两极上气体产物的物质的量之比为1∶1

BD　[依据电解规律可知①为电解水型，②为放氧生酸型，③为电解水型，④为放氢生碱型，所以A、C错误；B项电解产物为Cu和O2，所以加氧化铜固体可恢复，正确；D项阳极产生Cl2，阴极产生H2，物质的量之比为1∶1，正确。]

[借题发挥]

(1)反应③④中需向溶液中加入什么物质可复原？

(2)反应②中如向溶液中加入Cu(OH)2可复原吗？

[答案]　(1)③加H2O、④加HCl。

(2)不可，因为Cu(OH)2和CuO相比，多了H2O，不能恢复到原浓度。

电解后溶液复原时遵循的原则

少什么(元素的种类及原子个数比)加什么(按所少元素原子个数比组合成一种新物质加入)。

1．下列各组中，每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是   (　　)

A．HCl、CuCl2、Ba(OH)2　　 B．NaOH、CuSO4、H2SO4

C．NaOH、H2SO4、Ba(OH)2 D．NaBr、H2SO4、Ba(OH)2

C　[电解时只生成氧气和氢气，则电解质所含阳离子在金属活动性顺序表中位于铜之前，阴离子不是简单离子。]

2．用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为3∶1的CuSO4溶液和NaCl溶液的混合溶液，不可能发生的反应是(　　)

A．2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑

B．Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑

C．2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑

D．2H2O2H2↑＋O2↑

C　[CuSO4与NaCl物质的量之比为3∶1，电解的第一阶段为电解CuCl2，第二阶段可认为是电解CuSO4，第三阶段电解H2O。]

3．用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质(括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)

A．KOH(KOH)　   B．HNO3(HNO3)

C．KCl(HCl) D．AgNO3(H2O)

C　[A、B项中均逸出H2、O2，应加适量水；C项中逸出H2、Cl2，应通入HCl(g)；D项中产生O2、Ag，应加Ag2O。]

1807年，英国化学家戴维将铂电极插入熔融的氢氧化钾中并接通直流电源时，奇迹发生了，在阴极附近产生一种银白色的金属，随即形成紫色火焰。这就是发现钾元素的主要过程，在当时社会上引起轰动。

1．通电过程中能量的转化形式是什么？

提示：通电过程中电能转化为化学能。

2．通电过程中阴极发生反应的类型是什么？阳极发生反应的类型是什么？

提示：阴极钾元素的化合价降低，发生还原反应，则阳极发生氧化反应。

3．若将“熔融的氢氧化钾”换成KOH溶液，还能制得金属钾吗？为什么？

提示：不能。因为水溶液中存在H＋，H＋的放电顺序优先于K＋。

4．若将“铂电极”换成铜电极，电解KOH溶液，会得到什么产物？

提示：H2、Cu(OH)2。

通过本情境素材对电解过程中的电极、电解质的讨论，增强了学生科学探究与创新意识，也提升了“证据推理与模型认知”素养。

1．下列说法正确的是(　　)

A．电解KCl溶液时，阴极上的电极方程式为K＋＋e－===K

B．电解熔融NaCl的装置中，Na＋向阳极移动、Cl－向阴极移动

C．用石墨作电极电解熔融的MgCl2，会在阴极上析出单质镁，阳极上会有气体产生

D．在电解装置中，电子从阴极通过电解液流向阳极

C　[电解KCl溶液时，根据离子的放电顺序，阴极上应该H＋得电子，即

2H＋＋2e－===H2↑，A项错误；接通电源后阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，B项错误；用石墨作电极电解熔融MgCl2时，Mg2＋在阴极上得电子，被还原，得到单质Mg，Cl－在阳极失电子被氧化，得到Cl2，C项正确；电解池中，电子不能通过电极进入电解质溶液，D项错误。]

2．(双选)用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液，一段时间后，向剩余电解质溶液中加入适量相应的溶质能使溶液恢复到电解前浓度的是(　　)

A．CuSO4 B．Na2SO4

C．CuCl2 D．HCl

CD　[电解CuSO4发生反应：2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，加CuO或CuCO3可恢复；电解Na2SO4的水溶液实际电解的是水。]

3．用惰性电极进行电解，下列说法正确的是(　　)

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降低

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∶2

D．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

D　[A项，电解稀硫酸，实质是电解H2O，由于H2O的量减小，故c平(H2SO4)增大，溶液的pH降低；B项，电解NaOH溶液，实质是电解H2O，由于H2O的量减少，故c(NaOH)增大，溶液的pH升高；C项，电解Na2SO4溶液，实质是电解H2O，阳极产生O2，阴极产生H2，n(H2)∶n(O2)＝2∶1；D项，电解CuCl2溶液时，发生反应CuCl2Cu＋Cl2↑，阴极析出Cu，阳极产生Cl2，n(Cu)∶n(Cl2)＝1∶1。本题选D。]

4．(素养题)将如图所示实验装置的k闭合，下列判断正确的是(　　)

A．Zn电极上发生还原反应

B．片刻后盐桥中的Cl－向乙装置中移动

C．片刻后在a点滴加酚酞观察到滤纸变红色

D．片刻后在b点滴加淀粉－KI溶液观察到滤纸无变化

C　[该装置为原电池，Zn为负极，Cu为正极，Zn电极上发生氧化反应，A项错误；原电池中阴离子移向负极，即盐桥中的Cl－向甲装置中移动，B项错误；对于用饱和氯化钠溶液浸取的滤纸而言，相当于电解氯化钠溶液，其中a是阴极，发生还原反应：2H＋＋2e－===H2↑，OH－不断增大，溶液呈碱性，酚酞遇碱变红，b是阳极，发生氧化反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，氯气能使淀粉－KI溶液变蓝色，C项正确、D项错误。]

5．如图是一个用铂丝作电极，电解稀的MgSO4溶液的装置，回答下列问题：

(1)写出A管中发生反应的反应式：___________________________________

________________________________________________________________。

(2)写出B管中发生反应的反应式：___________________________________

________________________________________________________________。

(3)检验a管中气体的方法是_________________________________________

________________________________________________________________。

(4)通电一段时间后，切断电源，将电解液倒入烧杯内观察到的现象是

_______________________________________________________________。

[答案]　(1)2H＋＋2e－===H2↑，Mg2＋＋2OH－===Mg(OH)2↓

(2)4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

(3)用拇指按住管口，取出试管，靠近火焰，放开拇指，有爆鸣声，管口有蓝色火焰

(4)白色沉淀溶解(或大部分溶解)