-新教材高中化学第四章化学反应与电能第二节第一课时电解原理学案新人教版选择性必修

PAGEPAGE12第一课时电解原理明课程标准扣核心素养1.能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池。2．认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。1.宏观辨识与微观探析：能从宏观与微观相结合的角度认识电解池的工作原理，分析电极上放电的微粒并书写电极反应式。2．证据推理与模型认知：利用电解池的理论模型、建立对电解池装置系统分析的思维模板，并应用于实际问题的解决。eq\a\vs4\al(电解原理)1．实验目的通过实验认识电解池装置及其工作原理，理解电能转化为化学能的现象与应用。2．实验装置3．实验步骤在U形管中注入质量分数为25%的CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极，把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的石墨棒(与电源正极相连的电极叫阳极)附近。接通直流电源，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化。4．实验现象阴极：石墨棒上覆盖一层红色固体；阳极：①有气泡冒出并闻到刺激性气味，②湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。[问题探讨]1．通电前，CuCl2溶液中存在的离子有哪些？提示：CuCl2=Cu2＋＋2Cl－，H2OH＋＋OH－，故溶液中存在的离子有Cu2＋、H＋、Cl－、OH－。2．阳极石墨棒上产生的气体能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明产生的气体是什么？写出电极反应式并判断发生反应的类型(氧化反应或还原反应)。提示：说明产生的气体是Cl2；阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，发生氧化反应。3．阴极石墨棒上覆盖了一层红色固体物质，该物质是什么？写出电极反应式并判断发生反应的类型(氧化反应或还原反应)。提示：该固体物质为Cu；阴极反应式为Cu2＋＋2e－=Cu，发生还原反应。4．通电后，CuCl2溶液中阴、阳离子的迁移方向及电子运动的方向是什么？写出电解CuCl2溶液的总化学方程式。提示：电解时，Cl－(阴离子)向阳极移动，Cu2＋(阳离子)向阴极移动；电子从电源的负极流向电解池阴极，从电解池阳极流回电源的正极，电解总反应：CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解))Cu＋Cl2↑。5．在氯化铜溶液中除了Cu2＋和Cl－之外还有H＋和OH－，这两种离子为什么没有得到或失去电子？提示：电解时，溶液中离子的放电先后顺序与离子的氧化性或还原性有关，氧化性强的阳离子先得电子被还原，还原性强的阴离子先失电子被氧化。Cu2＋比H＋更容易得电子，而Cl－比OH－更容易失电子，可从氧化性强弱的角度比较得电子的顺序，从还原性强弱的角度比较失电子的顺序。1．电解(1)概念：使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。(2)电解装置——电解池①概念：将电能转化为化学能的装置。②构成条件a．两个电极：阳极——与电源正极连接；阴极——与电源负极连接。b．电解质溶液或熔融电解质。c．直流电源。d．构成闭合回路。③电解池中电子和离子的移动方向a．电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，经过阴、阳离子的定向移动形成内电路；阳极上物质失去电子，电子沿导线流向电源的正极。因此，电解质溶液的电解过程就是电解质溶液的导电过程。b．电解质电离产生的阴、阳离子在电流作用下定向移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。2．电解池电极的判断3．电解池的工作原理[名师点拨](1)电解时必须使用直流电源，不能使用交流电源。(2)常见的惰性电极指石墨、铂(Pt)、金(Au)，活性电极是指金属活动性顺序中Ag和Ag之前的金属。(3)电解过程是化学变化，而金属的导电是物理变化；书写电解总反应时要注明“电解”或“通电”这一反应条件。(4)原电池装置和电解池装置的最大区别是看有无外接直流电源，有外接直流电源的是电解池。(5)解答电解类题目时首先判断阳极材料，确定是活性电极还是惰性电极，若为活性电极，则电极材料本身失去电子生成金属阳离子，而溶液中所有阴离子不再放电；若为惰性电极，则按电解质溶液中阴离子的放电顺序放电。1．下列关于电解池的叙述中正确的是()A．与电源正极相连的是电解池的阴极B．与电源负极相连的是电解池的阴极C．在电解池的阳极发生还原反应D．电子从电源的负极沿导线流向正极解析：选B与电源正极相连的是电解池的阳极，故A不正确；与电源负极相连的是电解池的阴极，故B正确；阳极发生氧化反应，故C不正确；在电解池中，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，故D不正确。2．下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是()解析：选BA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，Ag为阳极，Cu为阴极，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。3.如图是电解熔融NaCl制备金属钠的装置示意图，下列有关判断正确的是()A．通过该装置可以将化学能转化为电能B．石墨电极为正极C．Na＋在铁极上得到电子被还原为钠原子D．铁电极为阳极解析：选C该装置为电解装置，可将电能转化为化学能，石墨电极作阳极，铁电极为阴极。eq\a\vs4\al(电极产物的判断和电极反应式的书写)为探究电解的放电规律及电极产物，进行如下实验：序号阳极材料阴极材料电解质阳极产物阴极产物①石墨石墨0.1mol·L－1CuCl2溶液Cl2Cu②石墨石墨0.1mol·L－1NaCl溶液Cl2H2③石墨石墨0.2mol·L－1CuSO4溶液O2Cu④铜石墨0.2mol·L－1CuSO4溶液Cu2＋Cu⑤石墨石墨熔融NaClCl2Na[问题探讨]1．对比①②，Cu2＋、Na＋、H＋在阴极的放电顺序是怎样的？提示：Cu2＋＞H＋＞Na＋，①中阳离子有Cu2＋、H＋，阴极产物是Cu，放电顺序是Cu2＋＞H＋；②中阳离子有Na＋、H＋，阴极产物是H2，放电顺序是H＋＞Na＋，故放电顺序为Cu2＋＞H＋＞Na＋。2．根据以上实验，你能否判断SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))、Cl－、OH－在阳极的放电顺序？提示：能。由①可知阴离子放电顺序是Cl－＞OH－，而由③可知阴离子放电顺序是OH－＞SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，故三者的放电顺序为Cl－＞OH－＞SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))。3．对比③和④，你可得出什么结论？提示：铜作阳极时，铜失电子发生氧化反应，溶液中的Cl－不再放电。4．用电解法制取金属钠，只能用熔融态NaCl，不能用NaCl水溶液，该观点正确吗？提示：正确。由⑤可知电解熔融NaCl可得金属钠，由②知在水溶液中，放电顺序为H＋＞Na＋，故电解NaCl溶液得不到金属钠。1．电解产物的判断(1)阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极(金属活动性顺序表Ag以前的金属)，则电极材料失电子，电极溶解，溶液中的阴离子不能失电子。如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，则看溶液中的阴离子的失电子能力。此时根据阴离子放电顺序加以判断(放电顺序即为得、失电子能力顺序)。阳极上阴离子的放电顺序：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))>SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))>F－。即：活性阳极(金属)>无氧酸根离子>OH－>含氧酸根离子>F－。注意：在溶液中含氧酸根离子不放电，常指最高价(中心原子)含氧酸根离子不放电，但非最高价(中心原子)含氧酸根离子的放电能力比OH－的强，如SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))、MnOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))等。(2)阴极产物的判断阴极阳离子的放电顺序阳离子的放电顺序基本上符合金属活动性顺序，在阳离子放电能力由强到弱排列时，一般将H＋的位置放在Cu2＋之后。但在电镀条件下，H＋的位置放在Zn2＋之后，Fe2＋、Zn2＋与H＋顺序颠倒，即在水溶液中Fe2＋、Zn2＋的得电子能力比H＋强，可认为是由水电离产生的c(H＋)很小之故。2．电解后溶液的变化及恢复原组成的措施类型电极反应特点实例电解对象电解质溶液浓度变化pH电解质溶液复原电解水型阴极：4H＋＋4e－=2H2↑阳极：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑NaOHH2O增大增大加水H2SO4H2O增大减小加水Na2SO4H2O增大不变加水电解质分解型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大通HClCuCl2电解质减小增大加CuCl2放氢生碱型阴极：H2O放出H2生成OH－阳极：电解质阴离子放电KCl电解质和水生成新电解质增大通HCl放氧生酸型阴极：电解质阳离子放电阳极：H2O放出O2生成H＋CuSO4电解质和水生成新电解质减小加CuO或CuCO31．用铂电极电解下列溶液时，阴极和阳极上的主要产物分别为H2和O2的是()A．稀HCl溶液 B．稀Na2SO4溶液C．CuCl2溶液 D．酸性AgNO3溶液解析：选BA项，电解稀HCl溶液，阴极产物为H2，阳极产物为Cl2，错误；B项，电解Na2SO4溶液，实际上是电解水，阴极产物为H2，阳极产物为O2，正确；C项，电解CuCl2溶液，阴极产物为Cu，阳极产物为Cl2，错误；D项，电解酸性AgNO3溶液，阴极产物为Ag，阳极产物为O2，错误。2．从H＋、K＋、Cu2＋、Cl－、SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))中选取适当的离子组成符合下列情况的电解质，进行电解(阳离子只能使用一次)。(1)以碳棒为电极进行电解，电解质的物质的量减少，水的物质的量保持不变，两极都有气体生成，气体体积相同，则该电解质的化学式为______________，电解的阴极反应式为______________________，电解的阳极反应式为________________________，电解的总方程式是____________________________。(2)以铂丝为电极进行电解，水的物质的量减小，电解质的物质的量保持不变，两极都有气体生成，气体体积比为2∶1，则该电解质的化学式为__________________，阴极反应式为____________________________，阳极反应式为______________________________。(3)以惰性电极电解，电解质的物质的量减少，水的物质的量也减少，pH下降，则电解质的化学式为__________，电解的总方程式为________________________________________________________________________。解析：(1)以碳棒为电极进行电解，电解质的物质的量减少，水的物质的量保持不变，两极都有气体生成，气体体积相同，则该电解质的化学式为HCl，电解的阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑，电解的阳极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，电解的总方程式是2HCleq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())H2↑＋Cl2↑。(2)以铂丝为电极进行电解，水的物质的量减少，电解质的物质的量保持不变，两极都有气体生成，气体体积比为2∶1，则该电解质为活泼金属的含氧酸盐，其化学式为K2SO4，阴极H＋得到电子，电极反应式为4H＋＋4e－=2H2↑，OH－在阳极失去电子，电极反应式为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑。(3)以惰性电极电解，电解质的物质的量减少，水的物质的量也减少，pH下降，则电解质为不活泼金属的含氧酸盐，化学式为CuSO4，电解的总方程式为2CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2Cu＋O2↑＋2H2SO4。答案：(1)HCl2H＋＋2e－=H2↑2Cl－－2e－=Cl2↑2HCleq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())H2↑＋Cl2↑(2)K2SO44H＋＋4e－=2H2↑4OH－－4e－=2H2O＋O2↑(3)CuSO42CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2Cu＋O2↑＋2H2SO4eq\a\vs4\al(归纳与论证能力)含有氰化物的废水危害极大，能毒杀各种鱼类和水生物。c(CN－)在0.01～0.04mg·L－1时，就有强烈的毒杀作用。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。(1)若用石墨和铁作电极材料，哪者为阳极？哪者为阴极？提示：石墨为阳极，铁为阴极。若铁作阳极，铁失电子生成Fe2＋，则CN－无法除去，故铁只能作阴极。(2)如何书写阳极、阴极的电极反应式？提示：阳极：Cl－＋2OH－－2e－=ClO－＋H2O阴极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－。阳极Cl－放电生成ClO－，氯元素的化合价升高，故在阳极发生氧化反应，由题目知该溶液呈碱性。阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应，在碱性条件下，H2O提供阳离子(H＋)。(3)写出除去CN－的离子反应方程式。提示：由于溶液是碱性条件，故除去CN－发生的反应为2CN－＋5ClO－＋H2O=N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－。电解池中方程式书写的3个关键点(1)书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写电解反应方程式时，弱电解质一定要写成化学式。(2)书写电极反应式时，首先根据题干要求及信息大胆写出反应物和生成物，然后根据“阴(极)得(e－)阳(极)失(e－)”加上得、失电子数目，最后根据电解质溶液酸碱性补上H＋、OH－或H2O，依据电荷守恒定律配平反应式。(3)要确保两极得、失电子数目相等，且电解反应方程式注明条件“电解”或“通电”。1.铝及铝合金经过阳极氧化，铝表面能生成几十微米厚的氧化铝膜。某研究性学习小组模拟工业法对铝片表面进行氧化处理。分别以铅片、铝片为电极，以硫酸为电解液，按照如图所示连接电解装置，电解40min后取出铝片，用水冲洗，放在水蒸气中封闭处理20～30min，即可得到更加致密的氧化膜。下列有关说法正确的是()A．电解时电子流向：电源正极→导线→铝极，铅极→导线→电源负极B．在电解过程中，H＋向阳极移动，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向阴极移动C．在电解过程中，阳极周围溶液的pH减小D．电解反应方程式：2Al＋6H＋eq\o(=,\s\up7(通电))2Al3＋＋3H2↑解析：选C从装置示意图分析，铝片为阳极，铅片为阴极，所以电解时电子的流向：电源负极→导线→铅极，铝极→导线→电源正极，A错；电解过程中，阳离子向阴极移动，阴离子则向阳极移动，B错；根据题意知，电解反应方程式：2Al＋3H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))Al2O3＋3H2↑，阳极的电极反应式：2Al＋3H2O－6e－=Al2O3＋6H＋，阳极周围溶液的pH减小，C对，D错。2．(1)工业上使用下图装置，采用石墨作电极电解Na2CrO4溶液，使Na2CrO4转化为Na2Cr2O7，其转化原理为__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)CrO3和K2Cr2O7均易溶于水，它们是工业废水造成铬污染的主要原因。要将Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)常见的处理方法是电解法。将含Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))的废水通入电解槽内，用铁作阳极，在酸性环境中，加入适量的NaCl进行电解，使阳极生成的Fe2＋和Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))发生反应，其离子方程式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。阴极上Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))、H＋、Fe3＋都可能放电。若Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))放电，则阴极的电极反应式为________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(2)酸性环境中阳极生成的Fe2＋和Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))发生反应，其离子方程式为Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。阴极上若Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))放电，则阴极的电极反应式为Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2O。答案：(1)阳极反应为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，使c(H＋)增大，从而导致反应2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋H2O发生(2)Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2OCr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2O[分级训练·课课过关]_________________________________________________1．下列关于原电池和电解池的叙述正确的是()A．原电池中失去电子的电极为正极B．原电池的负极、电解池的阳极都发生氧化反应C．原电池的两极一定是由活动性不同的两种金属组成的D．电解时电解池的阳极一定是阴离子放电解析：选B原电池中失电子的电极为负极，得电子的电极为正极，A项错误；原电池的负极、电解池的阳极上都是失电子，发生氧化反应，B项正确；原电池的两极可能是金属和导电的非金属材料，如石墨，C项错误；电解时，在阳极放电的也可能作阳极材料的金属，D项错误。2.如图所示是电解CuCl2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，c电极质量增加D．电解过程中，氯离子浓度减小解析：选D电流从电源的正极流出，因此a为电源正极，b为负极，则c为阳极，d为阴极，故A项、B项错误；电解CuCl2溶液，阳极(c电极)电极反应为：2Cl－－2e－=Cl2↑，阴极(d电极)：Cu2＋＋2e－=Cu，故C项错误；电解总反应：CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解))Cu＋Cl2↑，溶液中Cl－浓度减小，D正确。3．实验室用惰性电极电解稀硫酸，下列有关描述中，正确的是()A．电解时，电源的正极与电解池的阴极相连B．电解过程中，溶液的pH增大C．电解过程中，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向阴极移动D．电解时，阴极反应是2H＋＋2e－=H2↑解析：选D电解时，与电源正极相连的是电解池的阳极，故A错误；实验室用惰性电极电解稀硫酸，阳极的电极反应为4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，阴极的电极反应为2H＋＋2e－=H2↑，则电解稀硫酸其实质就是电解水，随着电解的进行，水的量不断减少，H2SO4浓度增大，c(H＋)增大，pH下降，故B错误；在电解池中，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极，所以SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))在电解过程中向阳极移动，故C错误；电解时，阴极氢离子发生得电子的还原反应，即阴极的电极反应为2H＋＋2e－=H2↑，故D正确。4．常温下，NCl3是一种黄色黏稠状液体，是制备新型水消毒剂ClO2的原料，可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说