4.2电解池 课件高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

选择性必修一第四章第二节

（电解池）人民教育出版社高中化学【资料卡片1】2024年10月30日4时27分，长征二号F遥十九运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射，将神舟十九号载人飞船送入太空，由此，中国空间站的建设进入了新的阶段。神舟十九号的三位宇航员需执行任务六个月，预计每天需要的氧气约为600L，如何高效持久的获得氧气一直是太空研究的重要课题。【资料卡片1】水电解技术是神舟十九号和天宫空间站内主要的氧气来源，水电解产生氢气和氧气，氧气供给宇航员呼吸，氢气则被排放到舱外或与其他设备结合使用。这项技术一方面无需频繁补充原材料，有效避免传统供氧方式如一次性氧气瓶带来的浪费问题；另一方面也可以显著节省空间站内有限的储存空间。阅读资料卡片，思考以下问题：1.写出电解水的化学方程式，氢气和氧气分别在哪一电极上产生？2.装置构成和能量转化的角度分析，氢氧燃料电池和电解水有哪些异同？2H2O2H2

+O2

通电氢气在连接负极的电极上产生氧气在连接正极的电极上产生装置构成：二者均有电极、电解质(溶液或熔融)、形成闭合回路

电解水还需要外接电源能量转化：燃料电池把化学能转化为电能；

电解水过程把电能转化为化学能。使电流通过

而在阳极、阴极引起

反应的过程。电解将

转化为

的装置。电解池(电解槽)电解质溶液(或熔融电解质)氧化还原电能化学能【资料卡片2】航空航天工业的飞速发展，离不开金属冶炼技术的精进。电解法制得的高纯度铜具有延展性好、导热性佳、电阻小等无可替代的优点，不仅被用于制作神舟十九号飞行器中的导线，还是飞行器主体的主要材料——铝合金2A12、铝合金7075的重要成分。【小组活动】

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附近。接通直流电源，电压选择12V，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化。实验步骤：【小组活动】【小组活动】实验现象与负极相连的b极上逐渐覆盖一层红色固体与正极相连的a极上有刺激性气味的气体产生，能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。【思考与讨论】1.产生的气体和红色物质分别是什么？对应电极上发生的反应是氧化反应还是还原反应？产生的气体是氯气，对应电极上发生氧化反应；产生的红色物质是单质铜，对应电极上发生还原反应。【小结】电解池的电极名称：阴极：与直流电源的

相连的电极，发生

反应；阳极：与直流电源的

相连的电极，发生

反应。负极还原正极氧化2e-阴极：Cu2++Cu2e-阳极：2Cl-Cl2↑－实验结论：CuCl2溶液在通电条件下生成了Cu和Cl2【思考与讨论】2.溶液中的离子有哪些？依据阴极和阳极的实验现象推测通电后这些离子的运动方向。Cu2+、Cl-、H+、OH-Cu2+、H+移向阴极Cl-、OH-移向阳极通电前，Cu2+和Cl-在溶液中作自由移动通电时，Cu2+和Cl-在溶液中改作定向移动【模型建构】请结合上述思考与讨论的结果，绘制电解池工作原理示意图，要求如下：（1）注明电解池的组成（2）标明氧化反应和还原反应发生区域（3）标明电子的运动方向和阴离子、阳离子的迁移方向【例1】判断(1)电解池的两个电极必须是两个活动性不同的电极(

)(2)在电解池中与直流电源负极相连的电极是阴极(

)(3)在电解池中，电子从阳极流入电源正极(

)(4)电解质溶液的导电实验发生化学变化(

)【例2】如下图所示装置中属于电解池的是________(填序号)。×✓✓✓③⑥以电解水和电解CuCl2溶液为例，依据电极产物推测离子氧化性（或还原性）的强弱顺序。氧化性：Cu2+＞H+（水）还原性：Cl-

＞OH-思考：离子放电顺序如何判断呢？电极反应规律阴极：吸引阳离子，发生还原反应Ag+>Hg2+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)

>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+放电顺序：Ag+>Hg2+>Fe3+

>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)

>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+无论是惰性电极还是活泼电极都

参与电极反应。不电极反应规律阳极：吸引阴离子，发生氧化反应放电顺序：S2->I->Br->Cl->F-活性金属阳极（除Pt/Au）＞S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-①若为活性阳极（如Cu，中性环境）电极方程式为：

②若为惰性电极(

），以OH－为例，其放电的电极方程式为:Cu–2e-=Cu2+石墨/Pt/Au4OH--4e-=O2↑+2H2O【注意】电解的离子方程式中，若参与电极反应的H＋或OH－是水电离出来的，用水作为反应物。【小组活动】在电解氯化铜溶液的实验结束后，将两根石墨电极的位置对调，即镀有铜的石墨电极与电源正极相连，另一级与电源负极相连。接通电源后能观察到哪些现象？两极分别发生了什么反应？写出电极反应方程式。

阳极阴极实验现象

电极反应方程式

石墨表面的红色固体逐渐溶解溶解完后，有气泡冒出Cu–2e-=Cu2+2Cl-–2e-=Cl2↑石墨表面逐渐覆盖一层红色固体Cu2++2e-=Cu2.电极方程式书写的一般思路①判断

材料②明确溶液中存在哪些

，③判断阴阳离子的

顺序④根据阳极

，阴极

，分析得出产物⑤阴极+阳极反应式=

反应式阳极离子放电氧化还原总注意得失电子守恒【注意】①电解质溶液导电实际上是

，发生

，是

变化。②金属导电是因为在电场作用下，

发生定向移动，是

变化。电解氧化还原反应化学电子物理注意离子方程式的原有要求！3.电解的基本规律及溶液的pH变化，溶液复原方法【例3】写出用惰性电极电解下列溶液，写出各电极反应方程式和总反应方程式，并指明电解后溶液的pH变化，复原加入什么物质？活泼金属的含氧酸盐Na2SO4阴极：4H2O+4e-==2H2↑+4OH-阳极：2H2O-4e-

==4H++O2↑总反应：2H2O2H2

+O2

通电溶液pH不变溶液复原方法：加水3.电解的基本规律及溶液的pH变化，溶液复原方法【例3】写出用惰性电极电解下列溶液，写出各电极反应方程式和总反应方程式，并指明电解后溶液的pH变化，复原加入什么物质？电解类型举例电极反应溶液pH变化溶液复原方法物质类别实例

含氧酸H2SO4阳极：

阴极：

总反应：

强碱NaOH阳极：

阴极：

总反应：

活泼金属的含氧酸盐Na2SO4阳极：

阴极：

总反应：

4H2O+4e-==2H2↑+4OH-2H2O-4e-

==4H++O2↑2H2O2H2

+O2

通电不变加水2H2O-4e-

==4H++O2↑4H++4e-

==2H2↑2H2O2H2

+O2

通电减小(若忽略体积变化，则pH几乎不变)加水4OH--4e-

==2H2O+O2↑4H2O+4e-==2H2↑+4OH-2H2O2H2

+O2

通电变大加水电解水型3.电解的基本规律及溶液的pH变化，溶液复原方法【例3】写出用惰性电极电解下列溶液，写出各电极反应方程式和总反应方程式，并指明电解后溶液的pH变化，复原加入什么物质？电解类型举例电极反应溶液pH变化溶液复原方法物质类别实例

无氧酸HCl阳极：

阴极：

总反应：

不活泼金属的无氧酸盐CuCl2阳极：

阴极：

总反应：

2Cl--2e-

==Cl2↑2H++2e-

==H2↑2HClH2

+Cl2

通电变大(若不考虑水解，则pH几乎不变)通入HCl(g)2Cl--2e-

==Cl2↑Cu2++2e-==CuCuCl2Cu+Cl2

通电变大加CuCl2电解电解质型3.电解的基本规律及溶液的pH变化，溶液复原方法【例3】写出用惰性电极电解下列溶液，写出各电极反应方程式和总反应方程式，并指明电解后溶液的pH变化，复原加入什么物质？电解类型举例电极反应溶液pH变化溶液复原方法物质类别实例

活泼金属的无氧酸盐NaCl阳极：

阴极：

总反应：

不活泼金属的含氧酸盐CuSO4阳极：

阴极：

总反应：

2Cl--2e-

==Cl2↑4H2O+4e-==2H2↑+4OH-2Cl-+2H2OH2

+Cl2+2OH-通电变大通入HCl(g)2H2O-4e-

==4H++O2↑Cu2++2e-==Cu2Cu2++2H2O4H++O2+2Cu通电变小加CuO电解水和电解质型【注意】电解后溶液的复原，从溶液中放出的气体和生成的沉淀，按照

组成具体物质再加入溶液即可。遵循“少什么加什么，少多少加多少”的原则。放氧生酸型放氢生碱型原子个数比【总结】原电池和电解池的比较

电解池原电池形成条件1.两个电极2.电解质溶液3.闭合回路4.直流电源注：氧化还原反应（可

可

）1.两个电极2.电解质溶液3.闭合回路4.氧化还原反应（自发）电极名称

电极反应

离子移动

电子移动方向

电流方向

能量转化

能转化为

能

能转化为

能阴极（与负极相连）阳极（与正极相连）

“阳氧阴还”

阳离子→阴极、阴离子→阳极阳极→正极，负极→阴极

正极→阳极→电解质溶液→阴极→负极

自发非自发电化学负极、正极“负氧正还”阳离子→正极，阴离子→负极

负极→外电路→正极

正极→电解质溶液→负极

化学电【例4】为了加深对电解规律的理解，某同学做了以下探究，要求从H＋、Cu2＋、Na＋、SO42－、Cl－5种离子中两两组成电解质，按下列要求进行电解：(1)以碳棒为电极，电解过程中电解质质量减少，水量不变，则采用的电解质是____________。若要恢复到电解前的状态，应加入的物质是_____________。(2)以碳棒为电极，电解过程中电解质质量不变，水量减少，则采用的电解质是____________。若要恢复到电解前的状态，应加入的物质是___________。(3)以碳棒为阳极，铁棒为阴极，电解过程中电解质和水量都减少，则电解质是____________。若要恢复到电解前的状态，应加入的物质是___________。【变式1】如果向所得的溶液中加入0.1molCu(OH)2后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH，电解过程中转移的电子物质的量为

mol【变式2】如果向所得的溶液中加入0.1molCu2(OH)2CO3后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑CO2的溶解），电解过程中转移的电子物质的量为

molCuCl2、HClCuCl2、HClNa2SO4、H2SO4H2ONaCl、CuSO4HCl、CuO、CuCO30.40.6【例5】以石墨为电极电解：①熔融的Al2O3

阴极：

阳极：

总化学方程式：

②MgCl2溶液阴极

阳极：

总离子方程式：

③AlCl3溶液阴极：

阳极：

总离子方程式：

Al3++3e-

==Al2O2--4e-==O2↑2Al2O3(熔融)4Al+3O2

通电2Cl--2e-

==Cl2↑2H2O+2e-==H2↑+2OH-2Cl-+2H2OH2

+Cl2+2OH-通电Mg2++2Cl-+2H2OH2

+Cl2+Mg(OH)2↓通电2Cl--2e-

==Cl2↑2H2O+2e-==H2↑+2OH-2Al3++6Cl-+6H2O3H2

+3Cl2+2Al(OH)3↓通电这是一个原本非自发的反应，应该设计电解池。【思考与交流】Cu+H2SO4=CuSO4+H2↑能否自发反应？如何使该反应发生，请设计实验装置。Cu做阳极，阴极材料可选任意电极，电解质溶液选择H2SO4。H+SO42-OH-阴极阳极e-e-CuH2SO4溶液电解饱和食盐水烧碱、氯气都是重要的化工原料，习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做

（一）电解饱和NaCl溶液分析氯碱工业阳极现象：产物检验：阴极现象：产物检验：2e-有黄绿色、刺激性气体产生，2Cl-Cl2↑－湿润的碘化钾淀粉试纸检验Cl22e-有无色无味气体产生，2H2OH2↑

+2OH-+点燃法检验H2，酚酞溶液检验碱性2NaCl+2H2O电解H2↑+2NaOH+Cl2↑（二）电解饱和食盐水实验改进【提出问题】电解NaCl溶液的一般装置有哪些缺点?缺点一：Cl2与NaOH反应缺点二：H2与Cl2混合易爆炸H2+

Cl22HCl点燃或光照Cl2+

2OH-

ClO-

+

Cl-+

H2O工业生产中不能直接用该装置进行生产。使用离子交换膜，选择阳离子交换膜，防止OH-移动到阳极与Cl2反应（三）氯碱工业生产流程主要设备：离子交换膜电解槽阴极：碳钢阳极：钛1.离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图Cl-H2Cl2NaOH溶液淡盐水H2O(含少量NaOH)精制饱和NaCl溶液阳离子交换膜Na+H+OH-Na+（三）氯碱工业生产流程2.阳离子交换膜（1）定义：只允许

等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，把电解槽隔成阳极室和阴极室。（2）作用：①可以防止阴极产生的________与阳极产生的________混合发生爆炸。②避免________与阴极产生的____________反应而影响氢氧化钠的产量。③平衡

。Na+、H+

H2Cl2Cl2NaOH电荷（涉及阴极室和阳极室溶液的质量变化时，必须考虑经过膜的离子）二、电镀【设计装置图】请设计电解池为铁钥匙镀铜，画出装置图，标出电解质溶液、电极名称并写出两极反应式?阳极：Cu–2e-=Cu2+阴极：Cu2++2e-=Cu思考：电解完后，溶液的浓度有何变化？不变1.电镀：利用________原理在某些金属表面镀上一薄层其他_______或________的加工工艺。2.目的：使金属

抗腐蚀能力，增加表面硬度和美观。3.电镀池的构成：阳极材料：__________，阴极材料：__________，电镀液：含有

金属离子的溶液，溶液浓度____________。4.特点：电解质溶液浓度

。5.实质：

。电解金属合金增强镀层金属待镀金属镀层不变不变M–ne-=Mn+，Mn++ne-=M镀银水壶【课堂练习】下图A为直流电源，B为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸，C为电镀槽，接通电路后发现B上的c点显红色，为实现铁上镀锌，接通K后，使c、d两点短路，下列叙述正确的是（

）A．a为直流电源的负极B．f电极为锌板C．c极发生的反应为2H＋＋2e－＝H2↑D．e极发生还原反应C三、电解精炼铜1.原理：粗铜（粗铜含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质）失去电子形成阳离子而溶解（残留在溶液中）；比铜不活泼的金属银、金等，以金属单质的形式沉积在电解槽的底部（形成阳极泥）；粗铜中的铜在纯铜上析出。分析3阳极材料：粗铜阴极材料：精铜分析4电解质溶液为硫酸铜溶液，其铜离子迁移到阴极得电子，析出为铜分析1如何让粗铜中的铜变成铜离子进入溶液？分析2粗铜生成铜离子，失去电子，发生氧化反应，反应在阳极进行三、电解精炼铜2.电解精炼铜的装置图（根据原理标出阴、阳极材料和电解液，写出两极反应式）阳极阴极(粗铜)(纯铜)Zn-2e-=Zn2+Fe-2e-=Fe2+Ni-2e-=Ni2+Cu-2e-=Cu2+Cu2++

2e-=Cu硫酸铜溶液银、金等金属杂质的失电子能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子，故以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。三、电解精炼铜精炼铜时，电解液中的Cu²⁺浓度有何变化?减小阴极增加的质量和阳极减少的质量相等吗?一般不相等【课堂练习】金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是()(已知：氧化性Fe2⁺<Ni2+<Cu2+)A.阳极发生还原反应，其电极反应：Ni2++2e-=NiB.电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等C.电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+D.电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和PtD【课后练习】以硫酸铜溶液做电解液，对含有杂质Fe、Zn、Ag的粗铜进行电解精炼，下列叙述正确的是（）①铜与直流电源负极相连②阴极发生的反