資源簡介

1.2 第3課時　電解池的工作原理
【學習目標】
1.通過實驗探究了解電解池的結構,理解電解池的工作原理,知道原電池與電解池的區別。
2.通過交流討論理解電解的規律,學會判斷電解的產物,學會書寫電解的電極反應式和總反應式,提升證據推理與模型認知的學科素養。
【合作探究】
任務1　電解原理
【學習情境】
H2O屬于弱電解質,電解水產生H2和O2,如何加快電解水的速率
【新知生成】
1.實驗探究——電解氯化銅溶液
CuCl2溶液的電解
　　(1)實驗步驟
(如圖)在U形管中注入CuCl2溶液,插入兩根石墨棒作電極,把濕潤的碘化鉀-淀粉試紙放在與直流電源正極相連的電極附近,接通電源。
(2)實驗現象
陰極石墨棒上逐漸覆蓋了一層紅色的銅,在陽極石墨棒上有刺激性氣味氣體產生,且使濕潤的碘化鉀-淀粉試紙變成藍色。
(3)原理分析
CuCl2在水溶液中電離產生Cu2+和Cl-:CuCl2Cu2++2Cl-。通電前,Cu2+和Cl-在溶液中做自由運動(如圖1);通電時,這些自由的離子做定向運動,陰離子向陽極移動,陽離子向陰極移動(如圖2)。當這些離子到達電極時,就失去或獲得電子,發生氧化還原反應,這個過程叫作放電。
(4)電極反應
陽極:2Cl--2e-Cl2↑(氧化反應)
陰極:Cu2++2e-Cu(還原反應)
總反應方程式:CuCl2 Cu+Cl2↑
圖1　通電前
圖2　通電時
通電前后溶液中離子移動示意圖
2.電解原理
(1)電解的概念
使直流電通過電解質溶液(或熔融電解質)而在陽極、陰極引起氧化還原反應的過程叫作電解。
特別提醒:
①電解時所用電流必須是直流電而不是交流電。
②熔融狀態的電解質可被電解,電解質溶液也可被電解。
③電解過程中,電能轉化為化學能而“儲存”在反應產物中。
(2)電解池
①把電能轉化成化學能的裝置叫作電解池(也可以叫作電解槽)。
②電解池的構成條件:直流電源,兩個電極,電解質溶液或熔融態電解質,形成閉合回路。
③能量轉化:將電能轉化為化學能。
(3)電極反應
①半反應:在電解池中,氧化反應和還原反應在兩個電極上分別進行,相當于氧化還原反應的一半,稱為電極反應。
②陽極:與電源正極相連的發生氧化反應的電極叫作陽極。
③陰極:與電源負極相連的發生還原反應的電極叫作陰極。
(4)電子流向:電源負極→陰極,陽極→電源正極。
(5)離子遷移:陽離子定向地向陰極移動,陰離子定向地向陽極移動。
【核心突破】
典例1　現用Pt電極電解1L濃度均為0.1 mol·L-1的HCl、CuSO4的混合溶液,裝置如圖所示,下列說法正確的是(　　)
A.電解開始時陰極有H2放出
B.電解開始時陽極上發生反應:Cu2++2e-Cu
C.當電路中通過的電子超過0.1 mol時,陰極放電的離子種類發生了變化
D.整個電解過程中,S不參與電極反應
【解析】依據放電順序,陰極先放電的是Cu2+,故陰極開始析出的是Cu,陽極先放電的是Cl-,故陽極開始產生的是Cl2,A、B項錯誤;陰極的反應為Cu2++2e-Cu,n(Cu2+)=0.1 mol,當電路中通過電子的量達到0.2 mol 時,Cu2+消耗完畢,陰極放電離子變為H+,C項錯誤;陽極先是Cl-放電,當Cl-消耗完畢,H2O電離產生的OH-開始在陽極放電,S不參與電極反應,D項正確。
【答案】D
歸納總結：
(1)電解池陰、陽極的判斷
(2)電極產物的判斷及有關反應式的書寫
①首先判斷陰陽極,分析陽極材料是惰性電極還是活潑電極。
②再分析電解質水溶液的組成,找全離子并分陰陽兩組(勿忘水溶液中的H+和OH-)。
③排出陰陽兩極的放電順序
④分析電極反應,判斷電極產物,寫出電極反應,要注意遵循原子守恒、電荷守恒和得失電子守恒。
⑤寫出電解總反應,在兩極轉移電子數目相同的前提下,兩極反應相加即可得總反應的化學方程式或離子方程式。
(3)電離與電解的比較
電離 電解
條件 電解質溶于水或熔融狀態下 電解質電離后,再通直流電
過程 電解質電離成為自由移動的離子,如CuCl2Cu2++2Cl- 陰、陽離子定向移動,在兩極上失、得電子發生氧化反應、還原反應,如CuCl2Cu(陰極)+Cl2↑(陽極)
特點 只產生自由移動的離子 發生氧化還原反應,生成新物質
聯系 電解必須建立在電離的基礎上
　　訓練1　關于用惰性電極電解CuCl2溶液的實驗的說法錯誤的是(　　)
A.溶液中Cl-向陽極移動,Cu2+向陰極移動
B.陽極上發生還原反應,陰極上發生氧化反應
C.陰極反應:Cu2++2e-Cu
D.可以用濕潤的KI-淀粉試紙檢驗陽極產生的氣體為Cl2
【解析】溶液中Cu2+向陰極移動,Cl-向陽極移動,A項正確;陰極發生還原反應:Cu2++2e-Cu,陽極發生氧化反應:2Cl--2e-Cl2↑,B項錯誤,C項正確;可以用濕潤的KI-淀粉試紙檢驗陽極產生的氣體Cl2,D項正確。
【答案】B
任務2　以惰性電極電解電解質溶液的規律
【新知生成】
用惰性電極電解常見電解質溶液。
電解質溶液 陽極反應 陰極反應 電解總反應
稀H2SO4 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H++2e-H2↑ 2H2O2H2↑+O2↑
NaOH溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2H2O2H2↑+O2↑
Na2SO4溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2H2O2H2↑+O2↑
CuCl2溶液 2Cl--2e-Cl2↑ Cu2++2e-Cu CuCl2Cu+Cl2↑
CuSO4溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ Cu2++2e-Cu 2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
NaCl溶液 2Cl--2e-Cl2↑ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH
【核心突破】
典例2　用石墨作電極,電解Na2SO4溶液的裝置如圖所示,通電后在石墨電極A和B附近分別滴加一滴石蕊溶液。下列有關敘述正確的是(　　)
A.相同條件下,逸出氣體的體積:A電極B.一電極逸出無味氣體,另一電極逸出有刺激性氣味氣體
C.A電極附近呈紅色,B電極附近呈藍色
D.電解一段時間后,將全部電解液轉移到同一燒杯中,充分攪拌后溶液呈中性
【解析】S、OH-移向B電極,在B電極上OH-放電產生O2:2H2O-4e-O2↑+4H+,B電極附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液變紅,Na+、H+移向A電極,在A電極上H+放電產生H2:2H2O+2e-H2↑+2OH-,A電極附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液變藍,C項錯誤;相同條件下,A電極產生的氣體體積大于B電極,A項錯誤;兩種氣體均為無色無味的氣體,B項錯誤;用惰性電極電解Na2SO4溶液的實質是電解水,電解后的溶液全部轉移到同一燒杯中,充分攪拌后,溶質仍為Na2SO4,溶液呈中性,D項正確。
【答案】D
歸納總結：(1)惰性電極電解電解質溶液的四種類型
類型 電極反應特點 電解質溶液 電解對象 電解質濃度 pH 電解質溶液復原
電解水型 陰極:4H++4e-2H2↑ 陽極:4OH--4e-2H2O+O2↑ 強堿(如NaOH) 水 增大 增大 加水
含氧酸(如H2SO4) 水 增大 減小 加水
活潑金屬的含氧酸鹽(如Na2SO4) 水 增大 不變 加水
電解電 解質型 電解質電離出的陰、陽離子分別在兩極放電 部分無氧酸(如HCl) 電解質 減小 增大 通入HCl氣體
不活潑金屬的無氧酸鹽(如CuCl2) 電解質 減小 - 加CuCl2
放H2生堿型 陰極:H2O放H2生成堿 陽極:電解質陰離子放電 活潑金屬的無氧酸鹽(如NaCl) 電解質和水 生成新電解質 增大 通入HCl氣體
放O2生酸型 陰極:電解質陽離子放電 陽極:H2O放O2生成酸 不活潑金屬的含氧酸鹽(如CuSO4) 電解質和水 生成新電解質 減小 加CuO
(2)以惰性電極電解電解質溶液前后溶液pH的變化規律可概括成: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。
　　訓練2　用惰性電極進行電解,下列說法正確的是(　　)
A.電解稀硫酸,實質上是電解水,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物的物質的量之比為1∶2
D.電解CuCl2溶液,在陰極上和陽極上生成產物的物質的量之比為1∶1
【解析】電解稀硫酸,實質上是電解水,溶劑的質量減少,溶質的質量不變,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,實質上是電解水,溶劑的質量減少,溶質的質量不變,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,根據得失電子守恒,在陰極上和陽極上析出產物的物質的量之比為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,根據得失電子守恒,在陰極上和陽極上析出產物的物質的量之比為1∶1,D項正確。
【答案】D
課堂小結
【隨堂檢測】
1.下列說法中不正確的是(　　)
A.不能自發進行的氧化還原反應,一般可以通過電解實現
B.電解質溶液導電是化學變化,金屬導電是物理變化
C.電解、電離均需要通電
D.電解池和原電池中均發生氧化還原反應
【解析】不能自發進行的氧化還原反應,一般可以通過電解實現,比如常溫下銅與稀硫酸不反應,設計成電解池后,銅作陽極,硫酸作電解質溶液,可以生成硫酸銅和氫氣,A項正確;電解質溶液導電時發生了電解,發生了氧化還原反應,發生了化學變化,金屬導電屬于物理變化,B項正確;電解需要通電,電離過程為電解質溶于水或熔化狀態下產生自由移動的離子的過程,不需要通電,C項錯誤;電解池的陽極、原電池的負極均發生氧化反應,電解池的陰極、原電池的正極均發生還原反應,D項正確。
【答案】C
2.用惰性電極電解下列各組中的三種電解質溶液,在電解的過程中,溶液的pH依次為升高、不變、降低的是(　　)
A.AgNO3　CuCl2　Cu(NO3)2
B.KCl　Na2SO4　CuSO4
C.CaCl2　KOH　NaNO3
D.HCl　HNO3　K2SO4
【解析】電解AgNO3溶液生成Ag、O2和HNO3,溶液pH降低,A項不符合題意;電解KCl溶液生成KOH、H2和Cl2,溶液pH升高,電解Na2SO4溶液本質上是電解水,溶液pH不變,電解CuSO4溶液生成Cu、O2和H2SO4,溶液pH降低,B項符合題意;電解CaCl2溶液生成Ca(OH)2、H2和Cl2,溶液pH升高,電解KOH溶液本質上是電解水,溶液pH升高,電解NaNO3溶液本質上是電解水,溶液的pH不變,C項不符合題意;電解HCl溶液生成H2和Cl2,溶液的pH升高,電解HNO3溶液本質上是電解水,溶液的pH降低,電解K2SO4溶液本質上是電解水,溶液的pH不變,D項不符合題意。
【答案】B
3.用如圖所示裝置電解KCl和CuCl2的混合溶液,下列說法正確的是(　　)
A.石墨2表面覆蓋一層紅色的銅
B.相同條件下,a、b兩管中產生的氣體總體積可能相等
C.a管中產生的氣體能使濕潤的淀粉-KI試紙變藍
D.開始時向U形管兩端滴入酚酞試液后,b管中先呈紅色
【解析】石墨1是陰極,石墨2為陽極,電解KCl和CuCl2混合溶液時,陽極上Cl-失電子:2Cl--2e-Cl2↑,無銅生成,A項錯誤;電解KCl和CuCl2混合溶液時,a管中產生的氣體是氫氣,氫離子在銅離子放電完畢后放電,b管中開始產生氯氣,在氯離子放電完畢前,生成氫氣少,氯氣多,之后為電解水:2H2O2H2↑+O2↑,a管中產生氫氣,b管中產生的氧氣,產生的氫氣多,氧氣少,電解一定量的水,可以使兩管中產生的氣體總體積相等,B項正確;a管產生的氣體為氫氣,不能使濕潤的淀粉-KI試紙變藍,C項錯誤;陰極上Cu2+ 和H+先后放電,溶液堿性增強,陽極上Cl-和 OH-先后放電,溶液酸性增強,a管先呈紅色,D項錯誤。
【答案】B
4.用鉑作電極電解一定濃度的下列物質的水溶液,電解結束后,向剩余電解質溶液中加適量水,能使溶液和電解前相同的是(　　)
A.CuSO4 B.H2SO4 C.CuCl2 D.NaCl
【解析】根據“向剩余電解質溶液中加適量水,能使溶液和電解前相同”可知,當電解池的電極是惰性電極時,電解的本質是電解水。用鉑作電極電解上述四種溶液的原理分別為2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4、2H2O2H2↑+O2↑、CuCl2Cu+Cl2↑、2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH,故B項符合。
【答案】B
5.下列以石墨為電極電解不同物質的電極反應式中,錯誤的是(　　)
A.電解飽和食鹽水的陰極:Na++e-Na
B.電解CuSO4溶液的陰極:Cu2++2e-Cu
C.電解熔融MgCl2的陰極:Mg2++2e-Mg
D.電解NaOH溶液的陽極:4OH--4e-2H2O+O2↑
【解析】以石墨為電極電解飽和食鹽水時,陰極應是H2O電離出的H+得電子放出H2,電極反應式為2H++2e-H2↑,A項錯誤。
【答案】A
6.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
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