1.2.4 电解池的工作原理学案 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

新苏教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》PAGEPAGE1专题1化学反应与能量变化第二单元化学能与电能的转化第4课时电解池的工作原理学习目标1．了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。2．充分利用电解熔融态氯化钠和电解饱和食盐水等案例素材，发展学生对电解池工作原理的认识。3．能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池。核心素养宏观辨识与微观探析：能根据电解池的构成条件辨识电解池装置，能分析电解池中能量转化及与物质性质的关系。证据推理与模型认知：能认识和建构电解池的装置和工作原理的认知模型，并能说明模型使用的条件及适用范围。知识梳理一、电解池的工作原理及其构成条件活动·探究[实验]电解熔融态氯化钠实验装置及操作容器中盛有熔融态氯化钠，两侧分别插入石墨片和铁片作为电极材料，两个电极分别与电源的正极和负极相连实验现象通电后，在石墨片周围有黄绿色的气泡产生，在铁片周围有银白色金属生成[思考交流]1．装置中电子的流向及石墨电极、铁电极各带什么电荷？2．通电前后Na＋、Cl－的移动方向有何不同？3．如何解释实验现象？4．通过上述实验，你能得出哪些结论？5．如果将离子导体换为氯化铜溶液，又能观察到哪些实验现象？如何解释？归纳·总结1．电解(1)概念：在直流电的作用下，在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。(2)电解装置——电解池①概念：将电能转变为化学能的装置。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；阳极上的物质失去电子，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4．电解产物的判断方法(1)阳极产物的判断先看电极再判断，如果是活性电极(除Au、Pt以外的金属电极是活性电极)，则电极材料失去电子，被溶解；如果是惰性电极(指石墨、Au、Pt等电极)，根据阴离子的放电顺序判断。阴离子的放电顺序：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子>F－。(2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序判断。阳离子的放电顺序：Ag＋>Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>Al3＋>Mg2＋>Na＋。[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)常见的惰性电极有石墨、铂(Pt)、金(Au)等电极，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；书写电解反应方程式要注明“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，而溶液中的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。巩固·练习1．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变为电能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2．下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是()二、酸、碱、盐溶液的电解规律活动·探究探究酸、碱、盐溶液的电解规律，实验装置如下：[思考交流]1．若X为H2SO4或NaOH或Na2SO4，试分析实际放电离子、实际电解对象。2．若X为HCl或CuCl2，实际电解对象是什么？3．若X为NaCl或KBr，阴极发生的电极反应有哪些特点？4．若X为CuSO4或AgNO3，则阳极发生的电极反应有什么特点？归纳·总结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：2H＋＋2e－=H2↑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生成碱阳极：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生成酸CuSO4电解质和水生成新电解质减小加CuO或CuCO3[名师点拨]1．对于电解质溶液复原的问题，不仅要求溶质不变，还要注意溶质的浓度也不变。恢复电解质溶液，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则。2．一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。若两极产物分别是H2和Cl2，则应加入HCl气体而不是稀盐酸；若两极产物分别是Cu和O2，则加入CuO或CuCO3都可以使电解质溶液复原，因为CuCO3(可以写成CuO·CO2)在与酸反应时，生成的CO2气体会逸出，但不能加入Cu(OH)2和Cu2(OH)2CO3。3．电解后溶液pH的变化规律(1)电极区域①当阴极是由H＋放电产生H2时，阴极区pH变大。②当阳极是由OH－放电产生O2时，阳极区pH变小。(2)电解质溶液①电解过程中，既产生H2，又产生O2，实质是电解水，溶液浓度增大(饱和溶液除外)，故原溶液若呈酸性，则pH变小；原溶液若呈碱性，则pH变大；原溶液若呈中性，则pH不变。②电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。③电解过程中，只产生H2，溶液中OH－浓度增大，pH变大。④电解过程中，只产生O2，溶液中H＋浓度增大，pH变小。[记忆口诀]只放氢pH升，只放氧pH降；放氢放氧浓度增(饱和溶液除外)，无氢无氧自牺牲。巩固·练习1．用惰性电极实现电解，下列说法正确的是()A．电解稀硫酸溶液，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减小C．电解Na2SO4溶液，在阴极上和阳极上析出的产物的物质的量之比为1∶2D．电解CuCl2溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶12．用惰性电极电解下列溶液，一段时间后，再加入一定量的另一种物质(括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是()A．CuCl2(CuSO4) B．NaOH(NaOH)C．NaCl(HCl) D．CuSO4[Cu(OH)2]3．某溶液中含有NaCl和H2SO4两种溶质，它们的物质的量之比为3∶1。用石墨作电极电解该混合溶液时，根据两极放电离子的来源不同，可明显分为三个阶段。下列叙述不正确的是()A．阴极自始至终只析出H2 B．阳极先析出Cl2，后析出O2C．电解的最后阶段为电解水 D．溶液的pH不断增大，最后为7能力提升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？(2)如何书写阳极、阴极的电极反应式？(3)写出除去CN－的离子反应方程式。归纳·总结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”。举一·反三1．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↑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________________________________________________________________________。当堂检测1．下列装置能构成电解池的是()2．利用如图装置电解硫酸铜溶液，下列说法正确的是()A．b电极上发生氧化反应B．该装置能将化学能转变成电能C．电解质溶液中Cu2＋从b电极向a电极迁移D．若a为铜，则a的电极反应式为Cu－2e－=Cu2＋3．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4．如图所示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，洗干净并干燥后称重，其质量增加了3.2g，则：(1)a电极为电源的________极。(2)写出电极反应式：A极_________________________，B极______________________。(3)若要使反应后的溶液恢复到原来状态，则应该加入________，加入________g。

参考答案知识梳理一、活动·探究[思考交流]1．提示：电子由直流电源负极流向铁电极，铁电极带负电；石墨电极带正电，电子由石墨电极流到电源正极。2．提示：通电前作无规则运动，通电后定向移动，Na＋移向铁电极，Cl－移向石墨电极。3．提示：(1)熔融态氯化钠中含有可自由移动的Na＋和Cl－。(2)通电后离子的移动：Na＋移向铁电极；Cl－移向石墨电极。(3)电极上发生的变化铁电极：2Na＋＋2e－=2Na，石墨电极：2Cl－－2e－=Cl2↑。4．提示：在通直流电条件下，熔融的氯化钠发生了化学反应，分解生成钠和氯气：2NaCleq\o(=,\s\up7(通电))2Na＋Cl2↑。5．提示：通电后，溶液中的Cu2＋移向铁电极(阴极)，优先于H＋在阴极上获得电子，被还原为金属铜，故可观察到阴极上覆盖了一层红色固体物质；而阳极(石墨电极)上有气体产生，经检验为Cl2，说明Cl－优先于OH－在阳极上失去电子被氧化而生成Cl2。巩固·练习1．【答案】C【解析】该装置为电解池装置，可将电能转化为化学能，石墨电极作阳极，铁电极作阴极。2．【答案】B【解析】A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，阳极上银失电子发生氧化反应生成Ag＋，阴极上氢离子放电生成氢气，不符合题意。二、活动·探究[思考交流]1．提示：阳极OH－放电，阴极H＋放电。实际电解对象为H2O。2．提示：实际电解对象分别为HCl、CuCl2。3．提示：阴极均为H＋放电，同时生成OH－。4．提示：阳极均为OH－放电，同时生成H＋。巩固·练习1．【答案】D【解析】电解稀H2SO4溶液，实质是电解水，因溶剂减少，H2SO4浓度将增大，故溶液的pH变小；电解稀NaOH溶液，虽然OH－在阳极放电，但H＋同时也在阴极放电，其实质同样是电解水，溶液的浓度也将变大，故溶液的pH变大；电解Na2SO4溶液，其实质也是电解水，在阴极和阳极分别析出H2和O2，二者的物质的量之比为2∶1，而非1∶2；电解CuCl2溶液，在阴、阳两极上分别析出Cu和Cl2，二者的物质的量之比为1∶1。2．【答案】C【解析】A中电解CuCl2溶液时，损失了Cu和Cl两种元素，加入CuSO4不能弥补Cl－，而且多了SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，错误；B中电解NaOH溶液的实质是电解水，故应加入适量水才能复原，错误；C中电解NaCl溶液时，NaOH仍留在原溶液中，H2、Cl2逸出，则损失了H、Cl两种元素，且物质的量之比是1∶1，故应通入适量HCl气体，正确；D中电解CuSO4溶液的化学方程式为2CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电))2Cu＋2H2SO4＋O2↑，脱离反应体系的物质是“2Cu和O2”，相当于“2CuO”，故应加入适量CuO或CuCO3，错误。3．【答案】D【解析】由题意可知n(H＋)∶n(Cl－)＝2∶3，在阴极H＋放电，在阳极先是Cl－放电，然后是OH－放电；反应开始时H＋、Cl－在两极放电，相当于电解HCl；H2SO4电离出的H＋放电完全后，在两极放电的是由水电离出的H＋和剩余的Cl－，相当于电解NaCl的水溶液；Cl－放电完全后，在两极放电的是由水电离出的H＋和OH－，相当于电解水；随着电解的进行，溶液的pH不断增大，但最后溶质是NaOH和Na2SO4，所以溶液的pH不为7。能力提升(1)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)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)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－。举一·反三1．【答案】C【解析】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．【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【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