2022-2023学年人教版选择性必修一 4.2.1 电解池的原理 学案

4.2.1电解池的原理知识精讲知识精讲实验探究——电解CuCl2溶液实验操作实验现象实验分析电流表指针发生偏转电解质溶液导电，形成闭合回路b极上逐渐覆盖了一层红色物质析出金属铜，Cu2++2e-Cua极上产生刺激性气味的气体，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝产生了氯气，2Cl--2e-Cl2↑电解CuCl2溶液的总反应：CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解))Cu+Cl2↑一、电解、电解池、放电1．电解：使电流通过电解质溶液（或熔融电解质）而引起氧化还原反应的过程叫做电解。2．电解池：把电能转化为化学能的装置，叫做电解池，也叫电解槽。3.放电：当离子到达电极时，失去/获得电子，发生氧化/还原反应的过程，称为放电。电解池的基本规律构成条件①直流电源；②两个电极；③闭合回路；④电解质溶液或熔融电解质电极阳极与电源_______相连，发生_______反应阴极与电源_______相连，发生_______反应离子流向阴离子移向______；阳离子移向______电子流向电源____极流向电解池____极；电解池____极流向电源____极【答案】正极氧化负极还原阳极阴极负阴阳正三、阴、阳极的放电顺序1.阳极放电顺序（1）若是活性电极做阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应；（2）若是Pt、Au、C等惰性电极作阳极，则仅是溶液中的阴离子放电。即：活泼金属＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞SO42-等（含氧酸根离子）＞F2.阴极放电顺序（1）阴极上放电的总是溶液(或熔融电解质)中的阳离子，与电极材料无关；（2）氧化性强的离子先放电，放电顺序如下：Ag+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+。四、电极方程式的书写1.写出溶液中存在的离子并比较放电顺序2.根据氧化还原或题目信息，判断产物并写出电极反应五、常见电解类型的电解规律类型电解质反应式溶液pH复原方法电解水型H2SO4阴极：_________________________阳极：_________________________总反应：___________________________________NaOH______Na2SO4______电解电解质型CuCl2阴极：_________________________阳极：_________________________总反应：___________________________________放H2生碱型NaCl阴极：_________________________阳极：_________________________总反应：___________________________________放O2生酸型CuSO4阴极：_________________________阳极：_________________________总反应：___________________________________【答案】类型电解质反应式溶液pH复原方法电解水型H2SO4阴极：4H++4e-=2H2↑阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑总反应：2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2H2↑+O2↑变小加适量水NaOH变大Na2SO4不变电解电解质型CuCl2阴极：Cu2++2e-=Cu阳极：2Cl--2e-=Cl2↑总反应：CuCl2eq\o(=,\s\up7(通电))Cu+Cl2↑变大加CuCl2放H2生碱型NaCl阴极：2H++2e-=H2↑阳极：2Cl--2e-=Cl2↑总反应：2NaCl+2H2Oeq\o(=====,\s\up7(通电))2NaOH+H2↑+Cl2↑变大通HCl气体放O2生酸型CuSO4阴极：2Cu2++4e-=2Cu阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑总反应：2CuSO4+2H2Oeq\o(=====,\s\up7(通电))2Cu+2H2SO4+O2↑变小加CuO对点训练对点训练题型一：放电顺序与放电产物的判断【变2】（2019·福建·泉州第十六中学高二月考）采用惰性电极从、、Cl-、Cu2+、Ba2+、Ag+、H+选出适当离子组成的电解质（非熔融态下），并电解，(1)若两极分别放出H2和O2，电解质可能为___。(2)若阴极析出金属，阳极放出O2，电解质可能为___。(3)若两极分别放出气体，且体积比为1：1，电解质可能为___。(4)若既无O2也无H2放出，则电解质可能为___。【答案】Ba(NO3)2、H2SO4、HNO3AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4HCl、BaCl2CuCl2【分析】阴极上阳离子放电顺序为Ag+>Cu2+>H+>Ba+，阳极上阴离子放电顺序为Cl->OH->、，根据电极产物判断阴阳极放电的离子，从而确定溶液中的电解质。【详解】阴极上阳离子放电顺序为Ag+>Cu2+>H+>Ba2+，阳极上阴离子放电顺序为Cl−>OH−>含氧酸根，(1)当阴极放出H2，阳极放出O2时，则阴极H+放电，阳极OH−放电，则溶液中的阴离子为硫酸根或硝酸根，阳离子是H+或Ba2+，BaSO4为沉淀，所以电解质是Ba(NO3)2、H2SO4、HNO3；故答案为Ba(NO3)2、H2SO4、HNO3；(2)当阴极析出金属时，阴极为Cu2+或Ag+放电，阳极放出O2，阳极为OH−放电，则溶液中的阴离子为硫酸根或硝酸根，电解质是AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4，故答案为AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4；(3)若两极分别放出气体，且体积比为1：1，则阴极放出H2，阳极放出Cl2，阴极为H+放电，溶液中的阳离子为H+或Ba2+，阴离子为Cl−放电，溶液中的阴离子为Cl−，所以电解质为HCl、BaCl2；故答案为HCl、BaCl2；(4)电解过程中既无O2也无H2放出，则阴极上析出金属，阴极为Cu2+或Ag+放电，阳极上产生氯气，阴离子为Cl−放电，AgCl为沉淀，则电解质应为CuCl2；故答案为CuCl2。【点睛】电解池中阴阳极放电顺序的判断方法：(1)阴极：阴极上放电的总是溶液中的阳离子，与电极材料无关。金属活动性顺序表中越排在后面的，其离子的氧化性越强，越易得到电子(注意Fe3+在Cu2+后面)而放电，其放电顺序为：K+Ca2+Na+Al3+(水中）H+Zn2+Fe2+Sn4+Pb2+H+Cu2+Fe3+Ag+。(2)阳极：若为活性电极做阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应；若为惰性电极做阳极，则仅是溶液中的阴离子放电，其常见的放电顺序为：F-含氧酸根离子OH-Cl-Br-I-S2-。如本题中溶液中的阳离子有H+和Na+，阴极上H+优先放电，得电子得到氢气，氢离子来自水，则同时生成氢氧化钠；溶液中的阴离子有Cl-和OH-，阳极上Cl-优先放电，失电子得到氯气。题型二：电极方程式的书写【例3】（2021·宁夏·银川市第六中学高二月考）用情性电极电解下列溶液：（1）电解KNO3溶液阳极反应___________（2）电解CuCl2溶液阴极反应___________（3）电解氢氧化钠溶液的总反应___________（4）电解CuSO4与NaCl混合溶液开始时阳极反应___________，阴极反应___________【答案】（1）4OH--4e-=O2↑+2H2O或2H2O-4e-=O2↑+4H+（2）Cu2++2e-=Cu（3）2H2OO2↑+2H2↑（4）2Cl--2e-=Cl2↑Cu2++2e-=Cu【解析】（1）惰性电极电解硝酸银溶液时，阳极为水电离出的氢氧根放电生成氧气，电极方程式为4OH--4e-=O2↑+2H2O或2H2O-4e-=O2↑+4H+；（2）惰性电极电解CuCl2溶液时，阴极铜离子放电生成铜单质，电极方程式为Cu2++2e-=Cu；（3）惰性电极电解NaOH溶液时，阳极氢氧根放电生成氢气，阴极水电离出的氢离子放电生成氢气，实质上是电解水，总反应为2H2OO2↑+2H2↑；（4）惰性电极电解CuSO4与NaCl混合溶液开始时阳极氯离子放电生成氯气：2Cl--2e-=Cl2↑，阴极为铜离子放电生成铜单质：Cu2++2e-=Cu。题型三：电解池中的计算【例4】（2019·陕西·渭南市三贤中学高二期中）如图所示的A、B两个电解池中的电极均为铂，在A池中加入0.05mol·L−1的CuCl2溶液，B池中加入0.1mol·L−1的AgNO3溶液，进行电解。a、b、c、d四个电极上所析出的物质的物质的量之比是A．2∶2∶4∶1 B．1∶1∶2∶1C．2∶1∶1∶1 D．2∶1∶2∶1【答案】A【详解】a为阴极，铜离子得到电子生成铜，电极反应为Cu2++2e-=Cu；b为阳极，氯离子失去电子生成氯气，电极反应为2Cl--2e-=Cl2↑；c为阴极，银离子得到电子生成银，电极反应为Ag++e-=Ag；d为阳极，氢氧根离子失去电子生成氧气，电极反应为4OH--4e-=O2↑+2H2O；根据电子守恒，四种物质的物质的量关系为2:2:4:1。故选A。【点睛】掌握串联电路中电流相同，所以通过电子物质的量相等。题型四：电解池的基本原理【例6】（2021·陕西金台·高二期末）在如图所示的装置中，若通直流电5min时，铜电极质量增加2.16g。请回答下列问题：(1)Y电极为直流电源的___________极。(2)B中阳极的电极反应式为___________。(3)C中pH变化：___________(填“增大”、“减小”或“不变”)。(4)A中反应的方程式为___________。若A中KCl溶液的体积是200mL，电解后，溶液的pH为___________(设电解前后溶液体积不变)。【答案】正极2H2O-4e-=O2↑+4H+不变2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH13【分析】用通直流电5min时，铜电极质量增加2.16g，则Cu电极为阴极，因此X为电源的负极，Y电极为直流电源的正极。A为用惰性电极电解氯化钾溶液，生成氯气、氢气和氢氧化钾；B为用惰性电极电解硫酸铜溶液，生成铜Cu、O2和H2SO4；C中的Ag电极为阳极，银本身放电，据此分析解答。【详解】(1)铜电极的质量增加，发生的反应为Ag++e-═Ag，则Cu电极为阴极，Ag为阳极，因此Y为直流电源的正极，X为直流电源的负极，故答案为：正；(2)B中的阳极上OH-放电，电极反应式为4OH--4e-═2H2O+O2↑(或2H2O-4e-=O2↑+4H+)，故答案为：4OH--4e-═2H2O+O2↑(或2H2O-4e-=O2↑+4H+)；(3)C中的Ag电极为阳极，银本身放电，故电极反应为：Ag-e-═Ag+，C中阴极反应为Ag++e-═Ag，因此溶液pH不变，故答案为：不变；(4)A为电解KCl溶液，生成KOH、Cl2和H2，电解的方程式为2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-(或2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH)；通电5min时，铜电极的反应式为Ag++e-═Ag，n(Ag)==0.02mol，电路中通过0.02mol电子。A中放出0.01molH2，溶液中生成0.02molKOH，c(OH-)==0.1mol•L-1，则c(H+)=10-13mol•L-1，因此pH=-lgc(H+)=13，故答案为：2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH(或2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-)；13。【点睛】明确Cu电极的质量增加是解答本题的突破口。本题的易错点为(4)，要注意溶液pH的计算方法的理解和应用。题型五：电解池的分段电解【变9-2】（2021·黑龙江实验中学高二期中）400mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)=0.6mol·L-1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24L气体(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为400mL，下列说法正确的是A．原混合溶液中c(K+)为0.1mol·L-1B．上述电解过程中共转移0.2mol电子C．电解得到的Cu的物质的量为0.05molD．电解后溶液中c(H+)为0.2mol·L-1【答案】A【分析】电解硝酸钾和硝酸铜混合溶液时，阳极上氢氧根离子放电生成氧气：4OH--4e-=2H2O+O2↑，阴极上先铜离子放电生成铜单质：Cu2++2e-=Cu，当铜离子完全析出时，氢离子放电生成氢气：2H++2e-=H2↑，两极均收集到2.24L气体(标准状况下)，气体的物质的量是0.1mol，每生成1mol氧气转移4mol电子，每生成1mol氢气转移2mol电子，每生成1mol铜转移2mol电子，所以根据转移电子守恒得铜的物质的量是0.1mol，则铜离子的物质的量浓度=0.1mol/0.4L=0.25mol/L，根据电荷守恒得钾离子浓度=0.6mol/L-0.25mol/L2=0.1mol/L，据此分析解答。【详解】A．据分析可知原混合溶液中c(K+)为0.1mol·L-1，A正确；B．上述电解过程中共转移0.4mol电子，B错误；C．电解得到的Cu的物质的量为0.1mol，C错误；D．当电解硝酸铜时溶液中生成H+，当电解硝酸钾溶液时，实际上是电解水，所以电解后H+的物质的量为氧气的4倍，c(H+)==1mol·L-1，D错误；故答案选A。题型六：电解质溶液的复原【变10-2】（2020·江西南昌·高二期中）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，向溶液中加入A．0.1molCuO B．0.1molCuCO3C．0.075molCu(OH)2 D．0.05molCu2(OH)2CO3【答案】D【分析】电解CuSO4溶液时，开始发生反应：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，一段时间后，气体体积增大，说明发生反应：2H2O2H2↑+O2↑。结合图象数据分析解答。【详解】电解CuSO4溶液时，开始发生反应：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，一段时间后，转移相同电子时得到气体体积增大，说明发生反应：2H2O2H2↑+O2↑。由图可知，第一阶段析出Cu为=0.1mol，放出的氧气为0.05mol，则需要加入0.1molCuO，第二阶段消耗的水为=0.05mol，因此恢复为电解前的浓度需要加入0.1molCuO和0.05molH2O。由于CuCO3反应生成二氧化碳，0.1molCuCO3相当于加入0.1molCuO，不能恢复为电解前的浓度；Cu(OH)2可以改写为CuO·H2O，0.075molCu(OH)2相当于加入0.075molCuO和0.075molH2O，也不能恢复为电解前的浓度；Cu2(OH)2CO3可以改写为2CuO·H2O·CO2，0.05molCu2(OH)2CO3等效为加入0.1molCuO、0.05molH2O，溶液可恢复