高中化学专题之电解池原理及其应用

知识和方法

1.构建电解池模型，分析电解基本原理

e-”导线传递,片沿导线传递

构建如图电解CuCb溶液模型，通过类比模型，结合氧化还原反应知

识（如：化合价的变化、得失电子情况等），能迅速判断电解池的阴、

阳极，弄清楚外电路中电子的移动情况和内电路中离子的移动情况，

准确判断离子的放电顺序并书写电极反应式和电解总反应式，掌握电

解基本原理。

2.充电（可逆）电池

锌银电池总反应：Ag2O+Zn+H2O'2Ag+Zn(OH)2

-

正极：Ag2O+H2O+2e===2Ag+2OH

负极：Zn+2OH—2e===Zn(OH)2

阳极：2Ag+2OH—2e===Ag2O+H2O

阴极：Zn(OH)2+2e-===Zn+2OlT

镇铁电池总反应：NiO2+Fe+2H2O-Fe(OH)2+Ni(OH)2

正极：NiO2+2e-+2H2O===Ni(OH)2+2OH^

负极：Fe_2e-+2OH-===Fe(OH)2

-

阳极：Ni(OH)2+2OH--2e===NiO2+2H2O

-

阴极：Fe(OH)2+2e===Fe+2OH

银镉电池总反应：Cd+2NiOOH+2H2OCd(OH)2+2Ni(OH)2

正极：2NiOOH+2H2。+2e-===2Ni(OH)2+2OH-

-

负极：Cd-2e-+2OH===Cd(OH)2

阳极：2Ni(OH)2+2OH"—2e"===2NiOOH+2H2O

阴极：Cd(OH)2+2e"===Cd+2OH"

锌铁电池总反应：3Zn+2K2FeO4+8H2O'3Zn(OH)2+2Fe(OH)3

+4KOH

正极：2FeO+6e-+8H2O===2Fe(OH)3+10OH-

负极：3Zn—6e+60H===3Zn(OH)2

-

阳极：2Fe(OH)3+1OOH"—6e===2FeO+8H2O

阴极：3Zn(OH)2+6e===3Zn+6OH

锂离子电池总反应：Lii_xCoO2+LixC6，LiCoO2+C6(x<l)<

span="">

+

正极Lii-xCoO2+xe+xLi===LiCoO2

负极：LixC6—xe===xLi+C6

阳极：LiCoO?-xe-===Lii-xCoOiH-xLi+

+

阴极：xLi+xe^+C6===LixC6

3.电解池中电极反应式的书写步骤

①首先注意阳极是活性材料还是惰性材料。

②分析确定溶液中所有阴阳离子并清楚放电顺序。

③根据放电顺序分析放电产物。

④根据电解质溶液的酸碱性确定电极反应式中是否有H'、OK或H2O

参与；最后配平电极反应式。

4.注意电极产物的溶解性对电极反应式的影响。

2+-

电解MgCb溶液时的阴极反应式应为：Mg+2H2O+2e=Mg(OH)2

I+H2t＞而不是

2H+2e-=H2t。

2+

总反应离子方程式为：Mg+2CP+2H2O==Mg(OH)2I+C12t+H2

to

不能把电解MgCL溶液的离子方程式写成：2c厂+2H2O==2OH-+CL

t+H2t，忽视了生成难溶的Mg(OH)2o

5.常见膜化学：

(1)膜的作用：阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许

阴离子通过，质子交换膜允许质子通过而避免不同电极区域内某些离

子间的反应。

(2)阴、阳离子交换膜的判断

①看清图示，是否在交换膜上标注了阴、阳离子，是否标注了电源的

正、负极，是否标注了电子流向、电荷流向等，明确阴、阳离子的移

动方向。

②根据原电池、电解池中阴、阳离子的移动方向，结合题意中给出的

制备、电解物质等信息，找出物质生成或消耗的电极区域、确定移动

的阴、阳离子，从而推知离子交换膜的种类。

例如三室式电渗析法处理含Na2s04废水的原理如下图所示，采用惰性

电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的

Na'和SO2-4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入

中间隔室。判断ab、cd是什么交换膜；判断离子的迁移方向；书写电

极反应式；判断电极产物。

阴哆稀的MSO,溶液曲

NaOH一23X|♦1tr--

放电顺序：lr>Na,用沫派电顺序：oir>sb

2Hze+2L=2H2O-4C-=

H,t+20irO/+41C

浓的gso,溶液；-基—胸

6.有关电化学计算的三大方法

(1)根据电子守恒计算。用于串联电路中电解池阴阳两极产物、原电池

正负两极产物、通过的电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电

子数相等。

⑵根据总反应式计算。先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根

据总反应式列出比例式计算。

(3)根据关系式计算。根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之

间的桥梁，构建计算所需的关系式。如以通过4moi院为桥梁可构建

如下关系式：

4e-〜2c卜(Br?、Iz)〜(%〜2Hz〜2Cu〜4Ag〜,M

、丫,

阳极产物'前矍辔物'"""油的

(式中M为金属，〃为其离子的化合价数值)

7.金属腐蚀原理及防护方法总结

(1)常见的电化学腐蚀有两类：①形成原电池时，金属作负极，大多数

是吸氧腐蚀；②形成电解池时，金属作阳极。

⑵金属防腐的电化学方法：①原电池原理——牺牲阳极的阴极保护法:

与较活泼的金属相连，较活泼的金属作负极被腐蚀，被保护的金属作

正极。注意：此处是原电池，牺牲了负极保护了正极，但习惯上叫做

牺牲阳极的阴极保护法。

②电解池原理一一外加电流的阴极保护法：被保护的金属与电池负极

相连，形成电解池，作阴极。

(3)金属的防护。①加防护层：如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、

塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金

属表面镀上一层不易被腐蚀的金属或生成一层致密的薄膜。

②电化学防护法。牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理：正极为被

保护的金属，负极为比被保护的金属活泼的金属；外加电流的阴极保

护法——电解原理：阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。

(4)防腐措施效果比较。外加电流的阴极保护法〉牺牲阳极的阴极保

护法〉有一般防腐条件的防护〉未采取任何防护措施。

真题训练

1.[2020新课标I]科学家近年发明了一种新型Zn-CO2水介质电池。

电池示意图如图，电极为金属锌和选择性催化材料，放电时，温室气

体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种

新途径。

co

下列说法错误的是（）

A.放电时，负极反应为Zn-2611c出/办Q就

B.放电时，1molC02转化为HCOOH,转移的电子数为2moi

C.充电时，电池总反应为2Zh（0H）：=2Zn+/

D.充电时，正极溶液中OFT浓度升高

2.[2020新课标H]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AgxWCh,器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列

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+xAg=Ag.（WO3

3.[2020浙江7月选考]电解高浓度RCOONa（竣酸钠）的NaOH溶液，

在阳极RCOO•放电可得到（烷煌）。下列说法不正确的是（）

c

A.电解总反应方程式：2«COONa+2H20pR-R+23炉网2）小小

B.RCOO"在阳极放电，发生氧化反应

C.阴极的电极反应：力

D.电解CH^COONa、CH3cH2coONa和NaOH混合溶液可得至!j乙烷、

丙烷和丁烷

4.[2020年山东新高考]采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过

电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说

法错误的是（）

A.阳极反应为2H£＜赳”"阑）#

B.电解一段时间后，阳极室的pH未变

C.电解过程中，H+由a极区向b极区迁移

D.电解一段时间后，a极生成的02与b极反应的02等量

5.[2020天津卷]熔融钠-硫电池性能优良，是具有应用前景的储能电

池。下图中的电池反应为2N-总2-N东岳（x=5〜3,难溶于熔融硫）,

下列说法错误的是（）

不镌钢容器

—N.-/-AI⑼冏体

—爆融蚀

：~阴眈《1（含碟粉）

二负信号:RealQiemistry

A.Na2s4的电子式为Na.J'J

B.放电时正极反应为Xf」+XT.：、

C.Na和Na2sx分别为电池的负极和正极

D.该电池是以为隔膜的二次电池

6.[2020江苏卷]将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁

设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是

JZ~~~

―-—

水体

钢铁设施七金JKM

>立售a30.“lEu'

A.阴极的电极反应式为Fe-2e=Fb

B.金属M的活动性比Fe的活动性弱

C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护

D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快

7.[2019天津]我国科学家研制了一种新型的高比能量锌-碘滨液流电

池，其工作原理示意图如下。图中贮液器可储存电解质溶液，提高电

池的容量。

下列叙述不正确的是（）

l?Br+2e-3+Br

A.放电时，a电极反应为--

B.放电时，溶液中离子的数目增大

C.充电时，b电极每增重065g,溶液中有Q02EI被氧化

D.充电时，a电极接外电源负极

8.12018新课标HI］一种可充电锂-空气电池如图所示。当电池放电时，

02与Li+在多孔碳材料电极处生成Li2O2-x（x=0或1）。下列说法正确

的是（）

*木工1M

A.放电时，多孔碳材料电极为负极

B.放电时，外电路电子由多孔碳材料电极流向锂电极

C.充电时，电解质溶液中Li+向多孔碳材料区迁移

D.充电时，电池总反应为Li2C>2-x=2Li+（1—；）Ch

9.［2018新课标H］我国科学家研发了一种室温下“可呼吸”的Na—CO2

二次电池。将NaCK）4溶于有机溶剂作为电解液，钠和负载碳纳米管的

银网分别作为电极材料，电池的总反应为：3co2+4Na=32Na2cCh+C。

下列说法错误的是（）

A.放电时，C1OJ向负极移动

B.充电时释放CO2,放电时吸收CO2

2-

C.放电时，正极反应为：3CO2+4e-=2CO3+C

D.充电时，正极反应为：Na++e~=Na

参考答案

1.【答案】D

【解析】由题可知，放电时:C02转化为HCOOH,即C02发生还原

反应，故放电时右侧电极为正极，左侧电极为负极，Zn发生氧化反应

生成ZMOHl一；充电时，右侧为阳极，H2O发生氧化反应生成02,

左侧为阴极，ZMOHE一发生还原反应生成Zn,以此分析解答。

A.放电时，负极上Zn发生氧化反应，电极反应式为：Zn-2e-+4OH-=

2

Zn(OH)4-,故A正确，不选；

B.放电时，C02转化为HC00H,C元素化合价降低2,贝(JImolCCh

转化为HCOOH时，转移电子数为2mol,故B正确，不选；

C.充电时，阳极上以0转化为02,负极上Zn(OH)42一转化为Zn,电

2

池总反应为：2Zn(OH)4-=2Zn+O2t+40丁+2H2O，故C正确，不选；

+

D.充电时，正极即为阳极，电极反应式为：2H2O-4e-=4H+O2t,溶

液中H+浓度增大，溶液中c(H+)・c(OH-)=Kw,温度不变时，Kw不变，

因此溶液中OH浓度降低，故D错误，符合题意;

答案选D。

2.【答案】C

【解析】从题干可知，当通电时，Ag+注入到无色W03薄膜中，生成

AgxWCh器件呈现蓝色，说明通电时，Ag电极有Ag+生成然后经固体

电解质进入电致变色层，说明Ag电极为阳极，透明导电层时阴极，

故Ag电极上发生氧化反应，电致变色层发生还原反应。

A.通电时，Ag电极有Ag+生成，故Ag电极为阳极，故A项正确；

B.通电时电致变色层变蓝色，说明有Ag+从Ag电极经固体电解质进

入电致变色层，故B项正确；

C.过程中，W由W03的+6价降低到AgxWCh中的+(6-x)价，故C项

错误；

D.该电解池中阳极即Ag电极上发生的电极反应为：xAg-xe-=xAg+,

+

而另一极阴极上发生的电极反应为：WO3+xAg+xe-=AgxWO3,故发

生的总反应式为：xAg+WO3=AgxWO3,故D项正确；

答案选C。

【点睛】电解池的试题，重点要弄清楚电解的原理，阴、阳极的判断

和阴、阳极上电极反应式的书写，阳极反应式+阴极反应式=总反应式,

加的过程中需使得失电子数相等。

3.【答案】A

【解析】A.因为阳极RCOO-放电可得到R-R(烷燃)和产生CO2,在强

碱性环境中，C02会与0H-反应生成C03?一和H2O,故阳极的电极反应

式为2RCOO-2e+4OH-=R-R+2co32-+2H2O,阴极上H2O电离产生的

H+放电生成H2,同时生成OH、阴极的电极反应式为

2H2O+2e-2OH+H2t，因而电解总反应方程式为2RCOONa+2NaOH更

R-R+2Na2cO3+H2T，故A说法不正确；

B.RCOCT在阳极放电，电极反应式为

2

2RCOO--2e-+4OH-R-R+2CO3+2H2O,-COO中碳元素的化合价由+3

价升高为+4价，发生氧化反应，煌基-R中元素的化合价没有发生变化，

故B说法正确；

C.阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH、阴极的电

极反应为2H2O+2e-=2OH-+H2f,故C说法正确；

D.根据题中信息，由上述电解总反应方程式可以确定下列反应能够

发生：2cH3coONa+2NaOH81cH3-CH3+2Na2cO3+H2T，

2cH3cH2COONa+2NaOH31cH3cH2-CH2cH3+2Na2co3+H2T,

CH3coONa+CH3cH2coONa+2NaOH31cH3-CH2cH3+2Na2co3+H2f。

因此，电解CH3coONa、CH3cH2coONa和NaOH的混合溶液可得到

乙烷、丙烷和丁烷，D说法正确。

答案为Ao

4.【答案】D

【解析】a极析出氧气，氧元素的化合价升高，做电解池的阳极，b极

通入氧气，生成过氧化氢，氧元素的化合价降低，被还原，做电解池

的阴极。

A.依据分析a极是阳极，属于放氧生酸性型的电解，所以阳极的反应

式是2H2O-4e=4H++O23故A正确，但不符合题意;

B.电解时阳极产生氢离子，氢离子是阳离子，通过质子交换膜移向阴

极，所以电解一段时间后，阳极室的pH值不变，故B正确，但不符

合题意；

C.有B的分析可知，C正确，但不符合题意；

D.电解时，阳极的反应为：2H2O-4e=4H++O2T，阴极的反应为：

O2+2e-+2H+=H2O2,总反应为：O2+2H2O2H2O2,要消耗氧气,即是a

极生成的氧气小于b极消耗的氧气，故D错误，符合题意；

故选：D。

5.【答案】C

【解析】根据电池反应：山”靠峥魁岳可知，放电时，钠作负极，

发生氧化反应，电极反应为：Na-e=Na+,硫作正极，发生还原反应，

电极反应为xi>2的/的孙届据此分析。

A.Na2s4属于离子化合物，4个硫原子间形成三对共用电子对，电子

式为Na；5g旭心匚声"恢up故A正确；

B.放电时发生的是原电池反应，正极发生还原反应，电极反应为：

teftWr故B正确；

C.放电时，Na为电池的负极，正极为硫单质，故C错误；

D.放电时，该电池是以钠作负极，硫作正极的原电池，充电时，是

电解池，Na^AlzO］为隔膜，起到电解质溶液的作用，该电池为二次电

池，故D正确；

答案选Co

6.【答案】C

【解析】该装置为原电池原理的金属防护措施，为牺牲阳极的阴极保

护法，金属M作负极，钢铁设备作正极，据此分析解答。

A.阴极的钢铁设施实际作原电池的正极，正极金属被保护不失电子，

故A错误；

B.阳极金属M实际为原电池装置的负极，电子流出，原电池中负极金

属比正极活泼，因此M活动性比Fe的活动性强，故B错误；

C.金属M失电子，电子经导线流入钢铁设备，从而使钢铁设施表面积

累大量电子，自身金属不再失电子从而被保护，故C正确；

D.海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度，离子浓度越大，溶液的

导电性越强，因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快，故D

错误；故选：Co

7.【答案】D

【解析】放电时，Zn是负极，负极反应式为Zn-2e-=Zn2+,正极反应

式为I2Br+2e-=2I-+Br，充电时，阳极反应式为+2「-2e-=I2Br、

阴极反应式为Zn2++2e-=Zn,只有阳离子能穿过交换膜，阴离子不能

穿过交换膜，据此分析解答。

A、放电时，a电极为正极，碘得电子变成碘离子，正极反应式为

I2Br+2e-=2「+B「，故A正确；

B、放电时，正极反应式为bBr-+2e-=2「+B「，溶液中离子数目增大，

故B正确;

C、充电时，b电极反应式为Zn2++2e-=Zn,每增加0.65g,转移0.02mol

电子，阳极反应式为Br-+2「-2e-=I2Br,有0.02moir失电子被氧化,

故C正确；

D、充电时，a是阳极，应与外电源的正极相连，故D错误；故选D。

【点睛】本题考查化学电源新型电池，会根据电极上发生的反应判断

正负极是解本题关键，会正确书写电极反应式，易错选项是B