資源簡介

1.3 第1課時　電解的原理
【學(xué)習(xí)目標(biāo)】
1.通過實驗探究了解電解池的構(gòu)成,理解電解池的工作原理,知道原電池與電解池的區(qū)別。
2.通過交流討論理解電解的規(guī)律,學(xué)會判斷電解的產(chǎn)物,學(xué)會書寫電解的電極反應(yīng)和總反應(yīng),提升證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué)科素養(yǎng)。
【自主預(yù)習(xí)】
一、電解熔融氯化鈉實驗
電極名稱 鐵電極 石墨電極
現(xiàn)象 鐵片上產(chǎn)生銀白色金屬 石墨片周圍有氣泡產(chǎn)生
離子移動方向 　　移向鐵電極 　　移向石墨電極
電極反應(yīng) 　　　 　　　
反應(yīng)類型 　　　 　　　
實驗結(jié)論 2NaCl2Na+Cl2↑
【微點(diǎn)撥】
電解質(zhì)的導(dǎo)電過程是被電解的過程,屬于化學(xué)變化;金屬導(dǎo)電過程是電子的定向移動,屬于物理變化。
二、基本概念
1.電解:讓　　　　通過電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì),在兩個電極上分別發(fā)生　　　　反應(yīng)和　　　　反應(yīng)的過程。
2.電解池
(1)定義:將　　　　轉(zhuǎn)化為　　　　的裝置。
(2)構(gòu)成條件:　　　　電源、固體電極材料以及電解質(zhì)溶液或熔融的電解質(zhì)并構(gòu)成　　　　。
3.電極
陽極——發(fā)生　　　　反應(yīng)的電極(與電源正極相連);
陰極——發(fā)生　　　　反應(yīng)的電極(與電源負(fù)極相連)。
4.電極反應(yīng)
在電極上進(jìn)行的半反應(yīng),可以用電極反應(yīng)表示。
三、電解池的工作原理
【參考答案】一、陽離子(Na+)　陰離子(Cl-)　2Na++2e-2Na
2Cl--2e-Cl2↑　還原反應(yīng)　氧化反應(yīng)
二、1.直流電　氧化　還原　2.(1)電能　化學(xué)能
(2)直流　閉合回路　3. 氧化　還原
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)與電源正極相連的是電解池的陰極。 (　　)
(2)用惰性電極電解NaCl溶液時可以得到Na和Cl2。 (　　)
(3)電解池工作時,陽極發(fā)生還原反應(yīng),失去電子。 (　　)
(4)電解池工作時,陽極上的電子通過電解質(zhì)溶液移向陰極。 (　　)
(5)電解AgNO3溶液時,Ag+移向陽極,N移向陰極。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
2.什么是電解 電解有什么特點(diǎn)
【答案】①概念:將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。
②特點(diǎn):a.電解是最強(qiáng)有力的氧化還原手段,是不可逆的;b.電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電過程,就是電解質(zhì)溶液的電解過程。
3.如何判斷一套裝置是原電池還是電解池
【答案】看有無外接直流電源,有外接直流電源的是電解池,無外接直流電源的是原電池。
4.將下面的電極反應(yīng)與對應(yīng)的電極名稱連線。
①Na++e-Na
②氧化反應(yīng)　　　　　　　　　　　　　A.陽極
③還原反應(yīng)
④4OH--4e-2H2O+O2↑ B.陰極
【答案】①—B?、凇狝?、邸狟?、堋狝
【合作探究】
任務(wù)1：電解原理
情境導(dǎo)入　1807年,當(dāng)英國化學(xué)家戴維將鉑電極插入熔融的氫氧化鉀并接通直流電源時,奇跡發(fā)生了,在陰極附近產(chǎn)生一種銀白色的金屬,隨即形成紫色的火焰。這就是發(fā)現(xiàn)鉀元素的主要過程,當(dāng)時在社會上引起轟動。這其中的奧妙是什么 下面就讓我們一起探討吧!
問題生成
1.電解熔融的氫氧化鉀過程中能量的轉(zhuǎn)化形式是什么
【答案】電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
2.從氧化還原反應(yīng)角度分析,電解熔融的氫氧化鉀的過程中陰極發(fā)生的反應(yīng)類型是什么 陽極發(fā)生的反應(yīng)類型是什么
【答案】陰極附近生成鉀,鉀元素化合價降低,發(fā)生還原反應(yīng),則陽極發(fā)生氧化反應(yīng)。
3.分析電解熔融的氫氧化鉀過程中電子的流向;電子通過熔融電解質(zhì)嗎
【答案】電子從電源負(fù)極流出,流入電解池陰極,從電解池陽極流回電源正極;不通過。
4.若戴維將熔融的氫氧化鉀換成氫氧化鉀溶液,他還能制得鉀單質(zhì)嗎 為什么 若不能,得到的產(chǎn)物是什么 并寫出陰、陽極反應(yīng)和總反應(yīng)。
【答案】不能;因為溶液中存在H+,H+放電順序優(yōu)先于K+。得到的產(chǎn)物是H2和O2;
陽極反應(yīng):2H2O-4e-O2↑+4H+;
陰極反應(yīng):4H2O+4e-2H2↑+4OH-;
總反應(yīng):2H2O2H2↑+O2↑。
5.若將鉑電極換成銅電極,電解氫氧化鉀溶液,電解產(chǎn)物和問題4相同嗎 若不同,請寫出陰、陽極反應(yīng)和總反應(yīng)。
【答案】不同。陽極反應(yīng):Cu-2e- Cu2+;
陰極反應(yīng):2H2O+2e-H2↑+2OH-;
總反應(yīng):2H2O+CuCu(OH)2+H2↑。
【核心歸納】
1.電解池陰、陽極的判斷
2.電極產(chǎn)物的判斷及有關(guān)反應(yīng)的書寫
(1)首先判斷陰、陽極,分析陽極材料是惰性電極還是活性電極。
(2)再分析電解質(zhì)水溶液的組成,找全離子并分陰、陽兩組(勿忘記水溶液中的H+和OH-)。
(3)排出陰、陽兩極的放電順序
(4)分析電極反應(yīng),判斷電極產(chǎn)物,寫出電極反應(yīng),要注意遵循原子守恒、電荷守恒和電子守恒。
(5)寫出電解總反應(yīng),在兩極轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相同的前提下,兩極反應(yīng)相加即可得總反應(yīng)的化學(xué)方程式或離子方程式。
【典型例題】
【例1】下圖所示裝置中,屬于電解池的是　　　(填序號)。
【答案】③⑥
【解析】根據(jù)電解池的構(gòu)成條件判斷:①②⑤無外接直流電源,不能構(gòu)成電解池;④無電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì);⑦中蔗糖屬于非電解質(zhì),不能構(gòu)成電解池;⑧沒有形成閉合回路,不能構(gòu)成電解池。
【例2】某同學(xué)按如圖所示的裝置進(jìn)行電解實驗,下列說法正確的是　　　　(填序號)。
①電解過程中,銅電極上的電極反應(yīng):Cu-2e-Cu2+
②電解初期,主反應(yīng):Cu+H2SO4CuSO4+H2↑
③電解一定時間后,石墨電極上有銅析出
④整個電解過程中,H+的濃度不斷增大
【答案】①②③
【解析】陽極反應(yīng)為Cu-2e-Cu2+,電解初期,陰極上是溶液中的H+放電,電極反應(yīng)為2H++2e-H2↑,溶液中的H+濃度不斷降低,總反應(yīng)為Cu+H2SO4CuSO4+H2↑,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,溶液中Cu2+數(shù)目增多,此時在陰極上Cu2+得電子,電極反應(yīng)為Cu2++2e-Cu,此時溶液中H+濃度不變,故溶液中的H+濃度先減小后不變。
方法技巧：原電池與電解池的區(qū)別
裝置類別 原電池 電解池
能量轉(zhuǎn)化 化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能 電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
電極名稱 負(fù)極 正極 陰極 陽極
電極判斷 流出電子 流入電子 連電源負(fù)極 連電源正極
反應(yīng)類型 氧化反應(yīng) 還原反應(yīng) 還原反應(yīng) 氧化反應(yīng)
電子流向 負(fù)極→外電路→正極 電解池陽極→電源正極;電源負(fù)極→電解池陰極
離子移動方向 陽離子向正極移動;陰離子向負(fù)極移動 陽離子向陰極移動;陰離子向陽極移動
反應(yīng)能否自發(fā)進(jìn)行 能 不能
任務(wù)2：電解規(guī)律的探究
【核心歸納】
1.惰性電極電解電解質(zhì)溶液的四種類型
類型 電極反應(yīng)特點(diǎn) 電解質(zhì)溶液 電解對象 電解質(zhì)濃度 pH 電解質(zhì)溶液復(fù)原
電解 水型 陰極:4H++4e-2H2↑ 陽極:4OH--4e-2H2O+O2↑ 強(qiáng)堿(如NaOH) 水 增大 增大 加水
含氧酸(如H2SO4) 水 增大 減小 加水
活潑金屬的最高價含氧酸鹽(如Na2SO4) 水 增大 不變 加水
電解電 解質(zhì)型 電解質(zhì)電離出的陰、陽離子分別在兩極放電 無氧酸(如HCl) 電解質(zhì) 減小 增大 通入HCl氣體
不活潑金屬的無氧酸鹽(如CuCl2) 電解質(zhì) 減小 - 加CuCl2
放H2 生堿型 陰極:H2O放H2生成堿 陽極:電解質(zhì)陰離子放電 活潑金屬的無氧酸鹽(如NaCl) 電解質(zhì)和水 生成新 電解質(zhì) 增大 通入HCl氣體
放O2 生酸型 陰極:電解質(zhì)陽離子放電 陽極:H2O放O2生成酸 不活潑金屬的最高價含氧酸鹽(如CuSO4) 電解質(zhì)和水 生成新 電解質(zhì) 減小 加CuO
2.用惰性電極電解電解質(zhì)溶液前后溶液pH的變化規(guī)律
有氫無氧增堿性,有氧無氫增酸性,有氫有氧增原性,無氫無氧減原性。
【典型例題】
【例3】用惰性電極進(jìn)行電解,下列說法正確的是(　　)。
A.電解稀硫酸,實質(zhì)上是電解水,故溶液pH不變
B.電解稀NaOH溶液,要消耗OH-,故溶液pH減小
C.電解NaNO3溶液,在陰極上和陽極上生成氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶2
D.電解CuCl2溶液,在陰極上和陽極上生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶1
【答案】D
【解析】電解稀硫酸,實質(zhì)上是電解水,溶劑的質(zhì)量減小,溶質(zhì)的質(zhì)量不變,所以溶液的濃度增大,H+的濃度增大,溶液的pH變小,A項錯誤;電解稀NaOH溶液,實質(zhì)上是電解水,溶劑的質(zhì)量減小,溶質(zhì)的質(zhì)量不變,所以溶液的濃度增大,OH-的濃度增大,溶液的pH變大,B項錯誤;電解NaNO3溶液,實質(zhì)上是電解水,陰極上H+得電子生成氫氣,陽極上OH-失電子生成氧氣,根據(jù)得失電子守恒,在陰極上和陽極上生成氣體產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為2∶1,C項錯誤;電解CuCl2溶液時,陰極上Cu2+得電子生成銅,陽極上Cl-失電子生成氯氣,根據(jù)得失電子守恒,在陰極上和陽極上析出產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶1,D項正確。
【例4】用惰性電極電解下列溶液一段時間后再加入一定量的某種純凈物(方括號內(nèi)的物質(zhì)),能使溶液恢復(fù)到原來的成分和濃度的是(　　)。(已知原溶液中電解質(zhì)未完全電解)
A.AgNO3[AgNO3]　　　　 B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl]　　 D.CuSO4[Cu(OH)2]
【答案】B
【解析】A項,4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+4HNO3,脫離溶液的物質(zhì)是4Ag+O2,相當(dāng)于2Ag2O,所以應(yīng)當(dāng)加入適量Ag2O才能復(fù)原;B項,2H2O2H2↑+O2↑,脫離溶液的是2H2+O2,相當(dāng)于2H2O,加入適量水可以復(fù)原;C項,2KCl+2H2O2KOH+H2↑+Cl2↑,脫離溶液的是H2+Cl2,相當(dāng)于2HCl,應(yīng)通入適量HCl氣體才能復(fù)原;D項,2CuSO4+2H2O2H2SO4+2Cu+O2↑,脫離溶液的是2Cu+O2,相當(dāng)于2CuO,加入適量CuO可以復(fù)原。
靈犀一點(diǎn)：電解后溶液的復(fù)原,從溶液中放出的氣體和生成的固體,按照原子個數(shù)之比組成具體物質(zhì)再加入溶液即可。遵循“少什么加什么,少多少加多少”的原則。
【隨堂檢測】
課堂基礎(chǔ)
1.用石墨作電極電解CuCl2溶液,下列說法正確的是(　　)。
A.在陽極上析出金屬銅
B.在陰極上析出金屬銅
C.在陰極上產(chǎn)生有刺激性氣味的氣體
D.陽極上發(fā)生還原反應(yīng)
【答案】B
【解析】根據(jù)電解原理,陽極發(fā)生氧化反應(yīng):2Cl--2e-Cl2↑,陰極發(fā)生還原反應(yīng):Cu2++2e-Cu。因此在陽極上產(chǎn)生有刺激性氣味的氯氣,在陰極上析出銅。
2.圖中x、y分別是直流電源的兩極,通電后發(fā)現(xiàn)a電極質(zhì)量增加,b電極處有無色無味氣體放出,符合這一情況的是(　　)。
選項 a電極 b電極 x極 Z溶液的溶質(zhì)
A 鋅 石墨 負(fù)極 CuSO4
B 石墨 石墨 負(fù)極 NaOH
C 銀 鐵 正極 AgNO3
D 銅 石墨 負(fù)極 CuCl2
　　【答案】A
【解析】通電后發(fā)現(xiàn)a電極質(zhì)量增加,b電極處有無色無味氣體放出,說明a電極是陰極,溶液中的金屬陽離子放電,b電極是陽極,溶液中的OH-放電生成氧氣,則x極是負(fù)極,y極是正極,A項符合。
3.有下列兩組電解池,電極均為惰性電極,實驗時通電時間和電流強(qiáng)度都相同。
(1)電解后,溶液pH增大的是　　　　(填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”,下同),溶液pH減小的是　　　　。
(2)電解后電極上有固體析出的是　　　　。
(3)電解時生成的氣體在同溫同壓下總體積相等的是　　　　　　　　。
【答案】(1)丙　甲、丁
(2)丁
(3)甲、乙、丙
對接高考
4.(2022·福建卷,9)一種化學(xué)“自充電”的鋅-有機(jī)物電池,電解質(zhì)為KOH和Zn(CH3COO)2水溶液。將電池暴露于空氣中,某電極無需外接電源即能實現(xiàn)化學(xué)自充電,該電極充放電原理如下圖所示。下列說法正確的是(　　)。
A.化學(xué)自充電時,c(OH-)增大
B.化學(xué)自充電時,電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能
C.化學(xué)自充電時,鋅電極反應(yīng)式:Zn2++2e-Zn
D.放電時,外電路通過0.02 mol電子,正極材料損耗0.78 g
【答案】A
【解析】由圖可知,化學(xué)自充電時,消耗O2,該反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,c(OH-)增大,A項正確;化學(xué)自充電時,無需外接電源即能實現(xiàn)化學(xué)自充電,該過程不是電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,B項錯誤;由圖可知,化學(xué)自充電時,鋅電極作陰極,該電極的電極反應(yīng)為O2+2H2O+4e-4OH-,C項錯誤;放電時,1 mol轉(zhuǎn)化為,消耗2 mol K+,外電路通過0.02 mol電子時,正極物質(zhì)增加0.02 mol K+,增加的質(zhì)量為0.02 mol×39 g·mol-1=0.78 g,D項錯誤。
5.(2021·天津卷,11)如下圖所示電解裝置中,通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐漸溶解,下列判斷錯誤的是(　　)。
A.a是電源的負(fù)極
B.通電一段時間后,向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出現(xiàn)紅色
C.隨著電解的進(jìn)行,CuCl2溶液濃度變大
D.當(dāng)0.01 mol Fe2O3完全溶解時,至少產(chǎn)生氣體336 mL(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀況下)
【答案】C
【解析】通電后石墨電極Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐漸溶解,說明石墨電極Ⅱ為陽極,則電源b為正極,a為負(fù)極,石墨電極Ⅰ為陰極。A項, a是電源的負(fù)極,正確;B項,石墨電極Ⅱ為陽極,通電一段時間后,產(chǎn)生氧氣和氫離子,所以向石墨電極Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出現(xiàn)紅色,正確;C項,隨著電解的進(jìn)行,銅離子在陰極得電子生成銅單質(zhì),所以CuCl2溶液濃度變小,錯誤;D項,當(dāng)0.01 mol Fe2O3完全溶解時,消耗的氫離子為0.06 mol,根據(jù)陽極反應(yīng)2H2O-4e-4H++O2↑,產(chǎn)生的氧氣為0.015 mol,體積為336 mL(折合成標(biāo)準(zhǔn)狀況下),正確。
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