第六章　第5讲　电解池及其工作原理-2025年高中化学高考备考

第六章化学反应与能量变化第5讲电解池及其工作原理课标要求核心考点五年考情核心素养对接1.了解电解池的工作原理。2.能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池电解池及其工作原理2023新课标卷，T10；2023全国乙，T27；2022年6月浙江，T21；2021海南，T9；2021湖北，T15；2021全国乙，T12；2020全国Ⅱ，T12、T28；2019北京，T27；2019江苏，T201.宏观辨识与微观探析：能判断电流方向和离子移动方向，预测电极反应及现象；能书写陌生电极反应式；能设计简单的电解装置。2.证据推理与模型认知：能记住常见阴、阳离子的放电顺序；能建立氧化还原反应与电解池的关联；能建立电化学原理与装置间的关联命题分析预测1.高考对电解池及其工作原理的考查主要涉及离子移动方向、电子流向、电极反应式的书写、电源正负极的判断等。2.预计2025年高考仍会以选择题为主，考查新型电解池（“活泼阳极”电解池或多室膜电解池），考查考生在新情境中对电解池的工作原理及其应用的理解及迁移应用能力1.宏观与微观结合视角2.物质转化与能量转化相结合视角原电池主要是基于能量转化为目的的装置，电解池主要是基于物质转化为目的的装置。3.认识思路考点电解池及其工作原理1.电解使电流通过[1]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叫作电解。2.电解池（1）电解池：将[2]电能转化为[3]化学能的装置叫作电解池，也叫电解槽。（2）电解池的构成①电极材料：有与电源相连的两个电极（阳极和阴极）。②离子导体：电解质溶液（或熔融电解质）。③电子导体：形成闭合回路。（3）电解池的工作原理（以电解CuCl2溶液为例）注意“电子桥上走，离子水中游”。阳离子移动方向与电流方向一致，阴离子移动方向与电流方向相反。3.放电顺序（1）阳极放电规律①活性电极（除Au、Pt以外的金属材料作电极），电极材料失电子，生成金属阳离子。②惰性电极[Pt、Au、石墨（有些电解池中作阳极也可参与反应，见命题点1T2）]，要依据阴离子的放电顺序加以判断。阴离子的放电顺序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞最高价含氧酸根离子。S2－、I－、Br－、Cl－放电产物分别是S、I2、Br2、Cl2，OH－放电得到H2O和O2。（2）阴极放电规律直接根据阳离子放电顺序进行判断。注意①水电离的H＋、OH－在电极上放电时，反应物写成H2O的形式。如2H2O＋2e－H2↑＋2OH－、2H2O－4e－O2↑＋4H②酸电离的H＋放电时，电极反应式为2H＋＋2e－H2↑，碱电离的OH－放电时，电极反应式为4OH－－4e－O2↑＋2H24.惰性电极电解电解质溶液的规律类型实例电极反应及总反应电解质溶液的变化电解质溶液复原的方法电解水型H2SO4阴极：4H＋＋4e－2H2阳极：[12]2H2O－4e－O2↑＋4H＋总反应：2H2O电解2H2↑＋浓度增大加水NaOH阴极：4H2O＋4e－2H2↑＋4OH阳极：4OH－－4e－2H2O＋O2总反应：2H2O电解2H2↑＋KNO3阴极：[13]4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－阳极：2H2O－4e－O2↑＋4H总反应：2H2O电解2H2↑＋电解电解质型HCl阴极：2H＋＋2e－H2阳极：[14]2Cl－－2e－Cl2↑总反应：2H＋＋2Cl－电解H2↑＋浓度减小通HCl气体CuCl2阴极：[15]Cu2＋＋2e－Cu阳极：[16]2Cl－－2e－Cl2↑总反应：Cu2＋＋2Cl－电解Cu＋加CuCl2电解电解质和水型NaCl、KCl（放H2生碱）阳极：2Cl－－2e－Cl2阴极：2H2O＋2e－H2↑＋2OH总反应：2Cl－＋2H2O电解Cl2↑＋H2↑浓度减小并生成新电解质通HCl气体MgCl2（放H2生碱，碱难溶）阳极：2Cl－－2e－Cl2阴极：Mg2＋＋2H2O＋2e－H2↑＋Mg（OH）总反应：Mg2＋＋2Cl－＋2H2O电解Mg（OH）2＋Cl2↑＋浓度减小并生成新电解质加MgCl2溶液CuSO4、Cu（NO3）2（放O2生酸）阳极：2H2O－4e－4H＋＋O2阴极：Cu2＋＋2e－总反应：2Cu2＋＋2H2O电解2Cu＋O2↑浓度减小并生成新电解质加CuO或CuCO3拓展电解后电解质溶液的复原解决电解质溶液复原问题，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则。一般加入由阴极产物所含元素与阳极产物所含元素按一定比例组成的化合物。方法：先让析出的物质（即从原体系中脱离出去的产物）按比例组成新化合物，再将化合物投入电解后的溶液中即可。1.易错辨析。（1）电解质溶液的导电过程一定发生了化学变化。（√）（2）电解池工作时电子从电源的负极流出，流入阴极通过溶液到阳极，然后从阳极流出，流回电源正极。（✕）（3）用Cu作电极电解盐酸可发生反应Cu＋2H＋电解Cu2＋＋H2↑。（（4）电解盐酸、硫酸时，H＋放电，溶液的pH逐渐增大。（✕）2.电解CuCl2溶液装置如图所示，在U形管中注入质量分数为25％的CuCl2溶液，插入两根石墨棒电极，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附近，通电后，实验现象是阴极上有红色物质产生，阴极附近溶液颜色变浅，阳极上产生黄绿色有刺激性气味气体且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，电流表指针偏转。3.（1）用惰性电极电解AgNO3溶液，阳极反应式为2H2O－4e－O2↑＋4H＋；阴极反应式为Ag＋＋e－Ag（2）用Al作电极电解NaOH溶液，阳极反应式为Al－3e－＋4OH－[Al（OH）4]－；阴极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－（3）以铝材为阳极，电解稀H2SO4，在铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为2Al－6e－＋3H2OAl2O3＋6H＋；阴极反应式为2H＋＋2e－H2↑4.[2023全国乙改编]在电解槽中发生电解反应的离子方程式为Mn2＋＋2H2O电解MnO2↓＋2H＋＋H2↑，随着电解反应进行，为保持电解液成分稳定，应不断加Mn（OH）2，电解废液可在反应器中循环利用。5.用惰性电极电解0.1L1mol·L－1的（1）当阴极质量增加6.4g红色固体时，使电解质溶液复原，可以向溶液中加入8.0gCuO。（2）当阴极质量增加6.4g红色固体及产生2.24L（标准状况）H2时，使电解质溶液复原，可以向溶液中加入9.8gCu（OH）2（或8.0gCuO和1.8gH2O）。（3）当阴极产生4.48L（标准状况）H2时，使电解质溶液复原，可向溶液中加入9.8gCu（OH）2和1.8gH2O（或8.0gCuO和3.6gH2O）。命题点1离子放电顺序的应用1.[离子放电顺序][2021全国乙]沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极（如图所示），通入一定的电流。下列叙述错误的是（D）A.阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理解析阴离子放电顺序：Cl－＞OH－（水）；阳离子放电顺序：H＋（水）＞Mg2＋＞Na＋。阴极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理，D项错误。命题拓展（1）[设问拓展]海水中的元素分为常量元素（＞1mg·L－1）与微量元素。海水中的离子放电顺序：Cl－＞（填“＞”或“＜”，下同）OH－（水），H＋（水）＞Mg2＋＞Na＋，阳极发生的反应为2Cl－－2e－Cl2↑（2）[选项拓展]如果管道中有NaClO生成，请写出生成NaClO的离子方程式：Cl2＋2OH－Cl－＋ClO－＋H2O（3）[选项拓展]若阴极表面形成了Mg（OH）2积垢，阳极反应产物是否可以将其清理掉？如果能，写出相关反应的化学方程式：能。Cl2＋H2O⇌HCl＋HClO，2HCl＋Mg（OH）2MgCl2＋2H2O2.[2023浙江]在熔融盐体系中，通过电解TiO2和SiO2获得电池材料（TiSi），电解装置如图，下列说法正确的是（C）A.石墨电极为阴极，发生氧化反应B.电极A的电极反应：8H＋＋TiO2＋SiO2＋8e－TiSi＋4H2C.该体系中，石墨优先于Cl－参与反应D.电解时，阳离子向石墨电极移动解析石墨电极为阳极，A项错误；该电解池的电解质为熔融盐，不存在H＋，B项错误；根据阳极上生成CO知，石墨优先于Cl－参与反应，C项正确；石墨电极为阳极，阴离子O2－向石墨电极移动，D项错误。技巧点拨电解池阴、阳极的判断方法 命题点2电极反应式的书写3.[2022浙江]通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下（其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计）。下列说法不正确的是（C）A.电极A为阴极，发生还原反应B.电极B的电极反应：2H2O＋Mn2＋－2e－MnO2＋4HC.电解一段时间后溶液中Mn2＋浓度保持不变D.电解结束，可通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3解析由示意图可知，电解时，电极A上LiMn2O4中Mn元素化合价降低，被还原，电极A是电解装置的阴极，A项正确；由电解装置中电极B上的物质变化可知，Mn2＋被氧化成MnO2，B项正确；阴极上LiMn2O4→2Mn2＋，Mn元素化合价共变化3，阳极上Mn2＋→MnO2，Mn元素化合价由＋2→＋4，化合价变化的绝对值不相等，故电解过程中，溶液中的Mn2＋浓度会变化，C项错误；通过调节溶液pH，可使Mn2＋转化为沉淀而除去，再加入可溶性的碳酸钠可使Li＋转化为难溶的碳酸锂，D项正确。命题拓展（1）[设问拓展]若将MnO2和Li2CO3按物质的量之比4∶1配料，混合搅拌，然后升温至600～700℃，制取产品LiMn2O4，写出该反应的化学方程式8MnO2＋2Li2CO3600~700°C4LiMn2O4＋2CO2↑＋O2↑（2）[选项拓展]电解结束后，通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液获得Li2CO3沉淀，洗涤Li2CO3沉淀的操作是沿玻璃棒向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出，重复操作2～3次。4.[与有机物有关的电极反应式的书写][2021全国甲]乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是（D）A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用B.阳极上的反应式为＋2H＋＋2e－＋H2OC.制得2mol乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子D.双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移解析由图示可知，石墨电极上的电极反应为2Br－－2e－Br2，所以该电极为阳极，KBr既是电解质也是电极反应物，A项错误；阳极反应为2Br－－2e－Br2，B项错误；由反应①②可知制得2mol乙醛酸，外电路转移2mol电子，C项错误；由反应②消耗H＋可知双极膜中的H＋向左室迁移，技巧点拨书写电极反应式的方法1.利用双线桥拆分法书写当给出电解总反应，可画出双线桥，标出电子转移的方向与数目，拆分成两个半反应。如铅酸蓄电池充电时相当于电解池反应。2.根据电极反应物与产物运用“配电子、配电荷、配原子”书写。1.[电极反应式的书写][2023新课标卷]一种以V2O5和Zn为电极、Zn（CF3SO3）2水溶液为电解质的电池，其示意图如下所示。放电时，Zn2＋可插入V2O5层间形成ZnxV2O5·nH2O。下列说法错误的是（C）A.放电时V2O5为正极B.放电时Zn2＋由负极向正极迁移C.充电总反应：xZn＋V2O5＋nH2OZnxV2O5·nH2D.充电阳极反应：ZnxV2O5·nH2O－2xe－xZn2＋＋V2O5＋nH2解析放电时Zn失去电子生成Zn2＋，Zn为负极，则V2O5为正极，A正确；放电时，阳离子（Zn2＋）移向正极，B正确；由上述分析可知，放电总反应为xZn＋V2O5＋nH2OZnxV2O5·nH2O，充电总反应为ZnxV2O5·nH2OxZn＋V2O5＋nH2O，C错误；由上述分析可知，2.[电极判断][2020全国Ⅱ]电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是（C）A.Ag为阳极B.Ag＋由银电极向变色层迁移C.W元素的化合价升高D.总反应为WO3＋xAgAgxWO解析电解池工作时，Ag＋向阴极移动，B项正确。3.[太阳能光伏电池电解水制高纯氢][北京高考]可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如图。通过控制开关连接K1或K2，可交替得到H2和O2。（1）制H2时，连接K1。产生H2的电极反应式是2H2O＋2e－H2↑＋2OH－（2）改变开关连接方式，可得O2。（3）结合（1）和（2）中电极3的电极反应式，说明电极3的作用：制H2时，电极3发生反应：Ni（OH）2＋OH－－e－NiOOH＋H2O。制O2时，上述电极反应逆向进行，使电极3得以循环使用解析（1）电解碱性电解液时，H2O电离出的H＋在阴极得到电子产生H2，根据题图可知电极1与电池负极连接，为阴极，所以制H2时，连接K1，产生H2的电极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－。（3）制备O2时碱性电解液中的OH－失去电子生成O2，连接K2，O2在电极2上产生。连接K1时，电极3为电解池的阳极，Ni（OH）2失去电子生成NiOOH，电极反应式为Ni（OH）2－e－＋OH－NiOOH＋H2O，连接K极3为电解池的阴极，电极反应式为NiOOH＋e－＋H2ONi（OH）2＋OH－，使电极34.[电极反应式的书写][江苏高考]电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如图。（1）写出阴极CO2还原为HCOO－的电极反应式：CO2＋H＋＋2e－HCOO－或CO2＋HCO3－＋2e－HCOO－＋（2）电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是阳极产生O2，pH减小，HCO3－浓度降低；K＋解析（1）CO2中的C为＋4价，HCOO－中的C为＋2价，1molCO2转化为HCOO－时，得2mol电子。（2）阳极上水放电，生成O2和H＋，H＋会与HCO3－反应使HCO3－减少，由电荷平衡可知，K＋1.[2024贵阳摸底考试]电解催化CO2还原为乙烯能缓解碳排放引发的温室效应，还将成为获得重要化工原料的补充形式，原理如图所示（a、b均为惰性电极）。下列说法正确的是（D）A.B为电源负极B.H＋从左边透过阳离子交换膜到右边C.电解一段时间后，阳极区溶液的c（OH－）增大D.阴极反应为2CO2＋12e－＋12H＋C2H4＋4H2解析二氧化碳得电子生成乙烯，发生还原反应，所以a为阴极，b为阳极，则B为电源正极，A错误；电解池中阳离子从阳极向阴极移动，故H＋从右边向左边移动，B错误；由题图知，阳极发生反应：2H2O－4e－4H＋＋O2↑，故阳极区溶液中c（OH－）减小，C错误；阴极二氧化碳得电子生成乙烯，发生还原反应，电极反应式为2CO2＋12H＋＋12e－C2H4＋4H2O，2.[固体电解质][2023江西临川一中考试改编]用固体二氧化钛（TiO2）生产海绵钛的装置如图所示，其原理是在较低的阴极电位下，TiO2（阴极）中的氧离子进入熔融盐，阴极最后只剩下纯钛。下列说法正确的是（B）A.阳极上生成O2的电极反应式为2H2O－4e－4H＋＋O2B.阴极的电极反应式为TiO2＋4e－Ti＋2O2C.通电后，O2－、Cl－均向阴极移动D.石墨电极的质量不发生变化解析由题图中O2－向石墨电极移动知，石墨电极为电解池的阳极，氧离子在阳极发生失电子的氧化反应生成氧气，电极反应式为2O2－－4e－O2↑，故A错误；电解池的阴极上发生得电子的还原反应，电极反应式为TiO2＋4e－Ti＋2O2－，故B正确；通电后，阴离子O2－、Cl－均向阳极移动，故C错误；石墨电极会和阳极产生的氧气发生反应生成一氧化碳、二氧化碳，所以石墨电极本身会被消耗，导致石墨电极的质量减小，故3.[2021海南]液氨中存在平衡：2NH3⇌NH4＋＋NH2－。如图所示为电解池装置，以KNH2的液氨溶液为电解液，电解过程中a、b两个惰性电极上都有气泡产生。下列有关说法正确的是A.b电极连接的是电源的负极B.a电极的反应为2NH3＋2e－H2↑＋2NC.电解过程中，阴极附近K＋浓度减小D.理论上两极产生的气体物质的量之比为1∶1解析由题图可知，b电极上NH2－失电子发生氧化反应生成N2和NH3，故b电极为阳极，连接电源的正极，A项错误；a电极为阴极，由题图可知，NH3在阴极发生还原反应，电极反应为2NH3＋2e－2NH2－＋H2↑，B项正确；电解过程中，阳离子向阴极迁移，即钾离子移向阴极，阴极附近K＋浓度增大，C项错误；b电极反应为6NH2－－6e－4NH3＋N2↑，根据得失电子守恒知，电解一段时间后，a电极生成的H2和b电极生成的N4.[2021江苏]通过下列方法可分别获得H2和O2：①通过电解获得NiOOH和H2（装置如图所示）；②在90℃将NiOOH与H2O反应生成Ni（OH）2并获得O2。下列说法正确的是（B）A.电解后KOH溶液的物质的量浓度减小B.电解时阳极电极反应式：Ni（OH）2＋OH－－e－NiOOH＋H2C.电解的总反应方程式：2H2O电解2H2↑＋D.电解过程中转移4mol电子，理论上可获得22.4LO2解析由题图中物质转化关系知，电解时，阴极反应式为2H2O＋2e－H2↑＋2OH－，阳极反应式为Ni（OH）2＋OH－－e－NiOOH＋H2O，则电解时的总反应为2Ni（OH）2电解2NiOOH＋H2↑，故电解后KOH溶液的物质的量浓度不变，A、C项错误，B项正确；未指明是标准状况下，无法计算生成的5.[2024南京六校调研]电催化还原CO2制备高附加值化学品是实现碳中和的有效方法之一。一种采用金属有机框架（MOF）催化剂电催化还原CO2为CO的装置原理如图所示。下列有关叙述正确的是（C）A.装置图中外电路箭头方向表示电流的方向B.电极b的电极反应式为CO2－2e－＋2H＋CO＋H2C.电极a上生成1molO2时，理论上可还原标准状况下44.8LCO2D.选用合适的催化剂，该装置也无法将CO2转化为CH4、CH3OH等解析a电极上，H2O转化为O2，发生反应2H2O－4e－O2↑＋4H＋，a电极为阳极；b电极上，CO2转化为CO，发生反应CO2＋2e－＋2H＋CO＋H2O，b电极为阴极，外电路中电流由电源正极流向电源负极，A、B错误；由电极反应可知，生成1molO2转移4mol电子，理论上可还原2mol即标准状况下44.8LCO2，C正确；选用合适的催化剂，该装置可将CO2转化为CH4、CH3OH等，6.[2023辽宁沈阳三模]利用间接成对电化学法，以间硝基甲苯为原料合成间氨基苯甲酸的工作原理如图所示。下列说法错误的是（D）A.物质X为间硝基苯甲酸B.右侧电极电势高于左侧电极电势C.阳极的电极反应式：2Cr3＋－6e－＋7H2OCr2O72D.当电路中转移8mol电子时，理论上可得到1mol间氨基苯甲酸解析由题图可知，X被Ti3＋还原为间氨基苯甲酸，则物质X为间硝基苯甲酸，A正确。右侧电极连接电源正极，为阳极，左侧电极连接电源负极，为阴极，则右侧电极电势高于左侧电极电势，B正确。右侧电极为阳极，阳极上Cr3＋失去电子发生氧化反应生成Cr2O72－，电极反应式为2Cr3＋－6e－＋7H2OCr2O72－＋14H＋，C正确。左侧电极为阴极，电极反应式为Ti4＋＋e－Ti3＋，阴极槽外反应为间硝基苯甲酸和Ti3＋反应生成间氨基苯甲酸和Ti4＋，即＋6Ti3＋＋6H＋＋2H2O＋6Ti4＋7.（1）[全国Ⅱ高考]环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe（C5H5）2，结构简式为]，后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如图1所示，其中电解液为溶解有溴化钠（电解质）和环戊二烯的DMF溶液（DMF为惰性有机溶剂）。该电解池的阳极为Fe电极，总反应为Fe＋2电解＋H2↑[或Fe＋2C5H6电解Fe（C5H5）2＋H2电解制备需要在无水条件下进行，原因为水会阻碍中间产物Na的生成；水会电解生成OH－，进一步与Fe2＋反应生成Fe（OH）2。图1（2）[2021山东]利用膜电解技术（装置如图2所示），以Na2CrO4为主要原料制备Na2Cr2O7的总反应方程式为4Na2CrO4＋4H2O电解2Na2Cr2O7＋4NaOH＋2H2↑＋O2↑。则Na2Cr2O7在阳（填“阴”或“阳”）极室制得，电解时通过膜的离子主要为Na图2（3）[2021湖南]利用电解原理，将氨转化为高纯氢气，其装置如图3所示。图3①电解过程中OH－的移动方向为从右往左（填“从左往右”或“从右往左”）；②阳极的电极反应式为2NH3－6e－＋6OH－N2＋6H2O（4）[全国Ⅲ高考]在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如图4所示：图4负极