电解原理(人教版2019选择性必修1)(解析版).docx

第二节 电解池
第1课时 电解原理

1.会描述电解池的工作原理，以变化观念书写电解池的电极反应式和总反应方程式。
2.熟悉电解规律和电解产物的判断方法，培养科学探究与创新意识。

一、 实验探究
1.【实验4-2】按下图所示装置完成实验，并填写下表。

实验现象
实验结论
与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层 .

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 .

2.实验原理分析
(1)通电时，在电场的作用下，溶液中的离子作 ，即 向a极迁移， 向b极迁移。
(2)a极电极反应式是 ，b极电极反应式是 ，总反应式是 。
(3)结论：在外接电源存在的条件下，借助电解池将 剂的电子转移给 剂。
二、电解原理
1.电解是使电流通过 或熔融电解质而在两个电极上引起 反应的过程。
2.电解池是将 转化为 的装置。
3.电极名称
（1）阴极：与电源 相连的电极，发生 反应；
（2）阳极：与电源 相连的电极，发生 反应。
4.电解池的构成条件：具有与 相连接的两个电极(阴极、阳极)，插入 溶液或熔融 中，形成 。
5.电子和离子移动方向
（1）电子：从电源 极流向电解池的 极，从电解池的 极流向电源的 极。
（2）离子：阳离子移向电解池的 极；阴离子移向电解池的 极。
【新知预习】答案
一、1. 红色物质 析出金属铜 变蓝 产生了氯气
2.(1)定向运动 Cl－ Cu2＋
(2) 2Cl－－2e－===Cl2↑ Cu2＋＋2e－===Cu CuCl2Cu＋Cl2↑
(3)还原 氧化
二、1.电解质溶液 氧化还原 2.电能 化学能
3.（1）负极 还原 （2）正极 氧化
4.直流电源 电解质 电解质 闭合回路
5.（1）负 阴 阳 正 （2）阴 阳

探究任务一 电解时电极产物的判断
1．电解池阴、阳极的判断

2.电极产物的判断
(1)阳极产物的判断：
首先看电极，如果是活性电极，则电极材料失去电子，被溶解，溶液中的阴离子不失去电子。如果是惰性电极，则要看溶液中阴离子的失电子能力，根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->含氧酸根>F-。
(2)阴极产物的判断：
直接根据阳离子放电顺序进行判断。阳离子放电顺序：Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+(浓度大时)>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(浓度小时)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
3. 解答有关电解问题的步骤
(1)首先要判定是否为电解池，有外接直流电源则为电解池，否则不是电解池。
(2)对于电解池，首先要考虑阳极材料，若为惰性电极，溶液中的阴离子被氧化；若为活泼金属电极，则被氧化的是电极本身。
(3)若溶液中的阴、阳离子有多种，则要根据离子放电顺序判定什么离子先放电，什么离子后放电，并写出电极反应式。
(4)根据电极反应式解答相关问题。
【典例1】现用Pt作电极电解1 L浓度均为0.1 mol·L-1的HCl、CuSO4的混合溶液，装置如图，下列说法正确的是(　　)
A.电解开始时阴极有H2放出
B.电解开始时阳极上发生：Cu2++2e-=Cu
C.当电路中通过电子的量超过0.1 mol时，此时阴极放电的离子发生了变化
D.整个电解过程中， SO42-不参与电极反应
【答案】D
【解析】依据放电顺序，阴极先放电的是Cu2+，故阴极开始析出的是Cu，阳极先放电的是Cl-，故阳极开始产生的是Cl2，A、B两项错误。n(Cu2+)=0.1 mol，由阴极反应Cu2++2e-==Cu可知，当电路中通过电子的量达到0.2 mol时，此时Cu2+消耗完毕，阴极放电离子变为H+，所以C项错误；阳极先是Cl-放电，当Cl-消耗完毕，此时H2O电离产生的OH-开始在阳极放电， SO42-不参与电极反应。
【变式训练1】 (2023·湖南师大附中高二月考)某同学按如图所示的装置进行电解实验。下列说法不正确的是(　　)
A.电解过程中，铜电极上有H2产生
B.电解初期，总反应方程式为Cu+H2SO4CuSO4+H2↑
C.电解一段时间后，石墨电极上有铜析出
D.电解过程中，H+的浓度减小
【答案】A
【解析】Cu电极为阳极，电极反应式为Cu-2e-==Cu2+，故A项错误。电解初期，阴极反应为2H++2e-==H2↑，总反应方程式为Cu+H2SO4CuSO4+H2↑，溶液中H+的浓度减小，故B、D两项正确。电解一段时间后，溶液中Cu2+的浓度较大，此时阴极反应为Cu2++2e-==Cu，故C项正确。
探究任务二 使用惰性电极电解电解质溶液的基本类型
1.用惰性电极电解电解质溶液的基本类型
电解质
及类别
电极反应式
电解
物质
pH
变化
溶液复
原方法
H2SO4
含氧酸
阳极：4OH--4e-==2H2O+O2↑
阴极：4H++4e-==2H2↑
H2O
减小
加入
H2O
NaOH
强碱
增大
Na2SO4活泼金属的含氧酸盐
不变
HCl无氧酸，除HF外
阳极：2Cl--2e-==Cl2↑
阴极：2H++2e-==H2↑
HCl
增大
通入
HCl气体
CuCl2
不活泼金属的无氧酸盐，除氟化物外
阳极：2Cl--2e-==Cl2↑
阴极：Cu2++2e-==Cu
CuCl2
—
加入
CuCl2
NaCl
活泼金属的无氧酸盐
阳极：2Cl--2e-==Cl2↑
阴极：2H2O+2e-==H2↑+2OH-
NaCl、
H2O
增大
通入HCl
气体
CuSO4
不活泼金属的含氧酸盐
阳极：2H2O-4e-==O2↑+4H+
阴极：2Cu2++4e-==2Cu
CuSO4、
H2O
减小
加入
CuO或
CuCO3
2. 判断电极产物时的注意事项
(1)对阳极，首先看阳极材料是否为活性电极，若为活性电极，则阳极材料被溶解；若为惰性电极，则依据阴离子的放电顺序判断谁先放电，且注意溶液中OH－的存在。
(2)对阴极，不论阴极材料是什么，均按照阳离子的放电顺序判断谁先放电，且注意溶液中H＋的存在。
【典例2】从NO、SO、H＋、Cu2＋、Ba2＋、Ag＋、Cl－等离子中选出适当的离子组成电解质，采用惰性电极对其溶液进行电解。
(1)两极分别放出H2和O2时，电解质的化学式可能是________________________。
(2)若阴极析出金属，阳极放出O2，电解质的化学式可能是__________________。
(3)两极分别放出气体，且体积比为1∶1，电解质的化学式可能是__________________。
【答案】(1)H2SO4、HNO3、Ba(NO3)2
(2)AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4　 (3)HCl、BaCl2
【解析】(1)组为电解水型，即阳极OH－放电，阴极H＋放电。
(2)组阳极OH－放电，阴极排在H后的金属阳离子放电。
(3)组气体体积比为1∶1，不是电解水型，经分析可得相应答案。
【变式训练2】 (2023·广东中山纪念中学高二检测)用惰性电极进行电解，下列说法正确的是(　　)
A.电解稀硫酸，实质上是电解水，故溶液pH不变
B.电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH-，故溶液pH减小
C.电解硫酸钠溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶2
D.电解氯化铜溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1
【答案】D
【解析】电解稀硫酸实质上是电解水，c(H+)增大，溶液pH减小，A项错误：电解稀氢氧化钠溶液，实质上也是电解水，c(OH-)增大，溶液pH增大，B项错误；电解硫酸钠溶液，在阴极上生成H2，阳极上生成O2，其物质的量之比为2∶1，C项错误。

1．如下图所示装置中，属于电解池的是(　　)

【答案】C
【解析】判断某装置是否为电解池，要以构成电解池的三个基本条件为标准。构成电解池的三个条件：①有与直流电源相连的两个电极；②有电解质溶液或熔融态电解质；③能形成闭合回路。
2.关于原电池、电解池的电极名称，下列说法错误的是 (　　)
A.原电池中失去电子的一极为负极
B.电解池中与直流电源负极相连的一极为阴极
C.原电池中相对活泼的一极为正极
D.电解池中发生氧化反应的一极为阳极
【答案】C
【解析】根据原电池原理可知，原电池中相对活泼的一极为负极。
3.下列关于电解池的叙述中，不正确的是(　　)
A.与电源正极相连的是电解池的阴极
B.电解池是电能转化为化学能的装置
C.溶液中的阳离子移向阴极
D.在电解池的阳极发生氧化反应
【答案】A
【解析】与电源正极相连的是电解池的阳极，与电源负极相连的是电解池的阴极。
4.某校化学兴趣小组的同学在一次活动中做了一个“彩虹”实验。其装置如右图所示,在一U形管中装入含有紫色石蕊溶液的Na2SO4溶液,通直流电,一段时间后U形管内会形成一个倒立的三色“彩虹”,从左到右颜色的次序是(　　)
A.蓝、紫、红
B.红、蓝、紫
C.红、紫、蓝
D.紫、红、蓝
【答案】C
【解析】阳极电极反应为4OH--4e- ==2H2O+O2↑,阳极区溶液呈酸性,溶液呈红色;阴极电极反应为4H++4e- ==2H2↑,阴极区溶液呈碱性,溶液呈蓝色;中间仍为紫色石蕊溶液。
5.下图中能验证用惰性电极电解饱和氯化钠溶液(含酚酞)的电解产物的装置是(　　)

【答案】D
【解析】电解饱和食盐水生成H2和Cl2，H2可用向下排空气法收集，Cl2可用碘化钾淀粉溶液检验，排除A、B。生成H2的一极为阴极，与电源负极相连，生成Cl2的一极为阳极，与电源正极相连，据此可知正确的为D项。
6.用石墨棒作电极，在Na+、Cu2+、Cl-、SO42-中选出适当离子组成电解质，电解其溶液，写出符合条件的一种电解质的化学式：
(1)当阴极放出H2，阳极放出O2时，电解质是　　　。 
(2)当阴极析出金属，阳极放出O2时，电解质是　　　。 
(3)当阴极放出H2，阳极放出Cl2时，电解质是　　　。 
(4)通过电子的物质的量与阴极析出金属的物质的量、阳极放出气体的物质的量之比为4∶2∶1时，电解质的化学式是　　　　　　。
【答案】(1)Na2SO4　(2)CuSO4 (3)NaCl　(4)CuSO4
【解析】(1)当阴极放出H2，阳极放出O2时，则电解时放电离子分别为H+、OH-，实际被电解的物质为H2O，电解质为活泼金属含氧酸盐Na2SO4。
(2)当阴极析出金属、阳极放出O2时，电解时放电离子为金属离子、OH-，实际被电解的物质为H2O和电解质，应为CuSO4。
(3)当阴极放出H2，阳极放出Cl2时，放电离子为H+、Cl-，则电解质应为NaCl。
(4)由题给离子及离子的放电顺序可知，阴极析出的金属应为Cu，阳极放出的气体应为O2，其电极反应为阴极2Cu2++4e-==2Cu，阳极4OH--4e-==2H2O+O2↑，此时阴、阳两极电极产物的物质的量之比为2∶1，符合题意，电解质为CuSO4。

1.把等物质的量的Na2SO4、NaCl、AgNO3的混合物放入足量水中,经充分搅拌后,将所得溶液用石墨作为电极进行电解,阳极生成的物质是(　　)
A.H2　　 　B.Ag C.Cl2　　　D.O2
【答案】D
【解析】等物质的量的Na2SO4、NaCl、AgNO3三种物质混合放入水中,经搅拌后,生成AgCl沉淀,溶液中的离子是Na+、SO42-、NO3-,通电时阳极是水电离产生的OH-放电,则阳极生成的物质是氧气。
2.用惰性电极电解下列溶液，其中随着电解的进行，溶液pH逐渐减小的是(　　)
①氯化钠溶液　②硫酸铜溶液　③氢氧化钠溶液
④稀硫酸　⑤稀盐酸　⑥硫酸钠溶液
A.①③⑤ B.②④⑤
C.②④ D.②④⑥
【答案】C
3.用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种物质(方括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)
A.AgNO3[AgNO3] B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl] D.CuSO4[Cu(OH)2]
【答案】B
4.在某电解质溶液里，用M和N作电极，通电一段时间后，发现M极质量减小，N极质量增大，符合这一情况的是(　　)
A.电解质溶液是稀硫酸
B.金属M是阳极，金属N是阴极
C.M和N是石墨电极
D.M是阴极，N是阳极
【答案】B
【解析】由题意可知，M极溶解，发生氧化反应，为阳极，N极质量增加，故有金属单质在N极上析出，发生还原反应，为阴极，电解质溶液应为金属盐溶液，M应为金属电极。
5. (2023·安徽合肥六校高二上学期期末)下列各组中，每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是(　　)
A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2
B.NaOH、CuSO4、H2SO4
C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2
D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
【答案】C
【解析】电解盐酸的化学方程式为2HClCl2↑+H2↑，电解CuCl2的化学方程式为CuCl2Cu+Cl2↑，A选项错；电解CuSO4溶液的化学方程式为2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑，B选项错；电解NaBr溶液的化学方程式为2NaBr+2H2O2NaOH+H2↑+Br2，D选项错。
6.如图中，两电极上发生的电极反应为a极：Cu2++2e-==Cu；b极：Fe-2e-==Fe2+。下列说法不正确的是(　　)
A.装置中电解质溶液一定含有Cu2+
B.该装置一定是化学能转化为电能
C.a、b可能是同种电极材料
D.a极上一定发生还原反应
【答案】B
【解析】该装置既可构成原电池，又可构成电解池。当构成原电池时，a极材料可以是活动性比铁差的金属或石墨，b极为铁，电解质溶液含Cu2+；当构成电解池时，a极作阴极，b极作阳极且必须是铁电极，电解液中含Cu2+。
7.用惰性电极电解某溶液时，发现两极只有H2和O2生成，则电解一段时间后，下列有关该溶液(与电解前同温度)的说法中正确的有(　　)
①该溶液的pH可能增大　②该溶液的pH可能减小　③该溶液的pH可能不变　④该溶液的浓度可能增大　⑤该溶液的浓度可能不变　⑥该溶液的浓度可能减小
A.只有①②③
B.只有①②③④
C.只有①②③④⑤
D.①②③④⑤⑥
【答案】C
8.下图为以惰性电极进行电解的装置：

(1)写出A、B、C、D各电极上的电极反应式和总反应方程式：
A：　 ， B：　 ， 总反应方程式：　 ；
C：　 ， D：　 ， 总反应方程式：　 ；
(2)在A、B、C、D各电极上析出生成物的物质的量之比为　　　　　　　　　　　　　　。
【答案】(1)Cu2++2e-==Cu　2Cl--2e-==Cl2↑　CuCl2Cu+Cl2↑　4Ag++4e-==4Ag　2H2O-4e-==O2↑+4H+　4AgNO3+2H2O4Ag+4HNO3+O2↑ (2)2∶2∶4∶1
【解析】A、B、C、D分别发生如下反应：Cu2++2e-==Cu，2Cl--2e-==Cl2↑，4Ag++4e-==4Ag，2H2O-4e-==O2↑+4H+；由电子守恒可知，在四个电极依次析出物质的物质的量之比为n(Cu)∶n(Cl2)∶n(Ag)∶n(O2)=2∶2∶4∶1。

9. (2023·福建厦门外国语学校高二检测)如下图所示，甲池的总反应式为N2H4+O2==N2+2H2O。下列说法正确的是(　　)

A.甲池中负极上发生的反应为N2H4-4e-==N2+4H+
B.乙池中石墨电极上发生的反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+
C.甲池溶液pH增大，乙池溶液pH减小
D.甲池中每消耗0.1 mol N2H4乙池电极上则会析出6.4 g固体
【答案】B
【解析】分析题图知，甲是燃料电池，乙是电解池，甲池中电解质溶液为氢氧化钾溶液，则负极不可能生成H+，应该是N2H4-4e-+4OH-==N2+4H2O，A项错误。乙池中石墨电极是阳极，发生氧化反应，B项正确。根据甲池总反应式知反应中生成了水，则氢氧化钾溶液的浓度变小，pH减小；乙池中阴极析出铜，阳极OH-放电，乙池的溶液pH减小，C项错误。根据各个电极通过的电量相等知N2H4~2Cu，则甲池中消耗0.1 mol N2H4时乙池电极上会析出12.8 g铜，D项错误。
10.将等物质的量浓度的CuSO4和NaCl溶液等体积混合后，用石墨电极进行电解，电解过程中溶液pH随时间t变化的曲线正确的是(不考虑Cl2的溶解)(　　)

【答案】D
【解析】电解分为三个阶段。第一阶段(电解CuCl2溶液)：阳极反应式为2Cl--2e-==Cl2↑，阴极反应式为Cu2++2e-==Cu，因Cu2+浓度减小，水解产生的H+浓度减小，溶液pH增大；第二阶段(电解CuSO4溶液)：阳极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑，阴极反应式为2Cu2++4e-==2Cu，溶液中H+浓度增大，溶液pH减小；第三阶段(相当于电解水)：阳极反应式为4OH--4e-==2H2O+O2↑，阴极反应式为4H++4e-==2H2↑，因为水被消耗，使混合溶液酸性增强，溶液pH减小。
11. (2023·山东昌邑文山中学高二检测)下图所示装置中，a、b都是惰性电极，通电一段时间后，b电极附近溶液呈红色。下列说法正确的是(　　)

A.X是负极，Y是正极
B.Pt是阴极，Cu是阳极
C.CuSO4溶液的pH逐渐减小
D.CuSO4溶液的pH不变
【答案】C
【解析】b电极附近溶液呈红色，说明b电极处氢离子放电。电解氯化钠溶液时，阳极发生氧化反应产生氯气，阴极发生还原反应产生氢气，同时生成氢氧化钠，因此b电极是阴极，与电源的负极相连，则Y为负极，X为正极；铂电极与电源的正极相连，作阳极，铜电极作阴极；电解硫酸铜溶液时，阳极上氢氧根离子放电，CuSO4溶液的pH减小。
12.将含有KCl、CuBr2、Na2SO4三种物质的水溶液用铂电极进行电解，且电解时间足够长。有以下结论：①溶液中几乎没有Br-；②电解质溶液为无色；③最终溶液显碱性；④K+、Na+和SO42-的浓度几乎没有变化。其中正确的是(设Cl2、Br2全部从溶液中逸出)(　　)
A.①②③ B.②③④
C.①②④ D.①③④
【答案】A
【解析】溶液中存在的阴离子有：Cl-、Br-、SO42-、OH-，阳离子有：K+、Cu2+、Na+、H+。因用Pt电极电解足够长的时间，阴离子首先放电的是Br-，其次是Cl-，最后是OH-， SO42-在溶液中不放电；阳离子先放电的是Cu2+，其次是H+。所以先电解CuBr2，阳极逸出Br2，阴极析出Cu，当CuBr2电解完毕时，相当于继续电解HCl(H+来自于水)，当Cl-被消耗尽时，则继续电解水。由于Cu2+转化为单质铜，电解液变为无色；Cl-在阳极放电时，水电离出的H+在阴极放电，使溶液中的c(OH-)增大；由于最终水被消耗，c(K+)、c(Na+)和c(SO42-)会增大。
13.重铬酸钾又名红矾钾，是化学实验室中的一种重要分析试剂。工业上以铬酸钾(K2CrO4)为原料，采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)。制备装置如图所示(阳离子交换膜只允许阳离子透过)：

制备原理：2CrO42-(黄色)+2H+== Cr2O72- (橙色)+H2O。
(1)通电后阳极室产生的现象为　 ；
其电极反应式是　 。
(2)该制备过程总反应的离子方程式可表示为4CrO42-+4H2O==2Cr2O72-+4OH-+2H2↑+O2↑，若实验开始时在右室中加入38.8 g K2CrO4，t min后测得右室中K与Cr的物质的量之比为3∶2，则溶液中K2CrO4和K2Cr2O7的物质的量之比为　　　　；此时电路中转移电子的物质的量为　　　　。 
【答案】(1)阳极产生无色气体，溶液由黄色逐渐变为橙色　4OH--4e-==O2↑+2H2O(或2H2O-4e-==O2↑+4H+)　(2)2∶1　0.1 mol
【解析】(1)阳极发生氧化反应，溶液中氢氧根离子失去电子生成氧气和水。(2)直接设K2CrO4和K2Cr2O7物质的量分别为x、y，则钾原子的物质的量为2x+2y，铬原子物质的量为x+2y，依据两原子个数比为3∶2，可求出两物质的物质的量之比为2∶1；根据铬酸钾的质量可求出铬原子总物质的量为0.2 mol，又t min后两物质的物质的量之比为2∶1，则铬酸钾的物质的量为0.1 mol，重铬酸钾的物质的量为0.05 mol，根据化学方程式可知，生成0.05 mol的重铬酸钾，反应中转移电子的物质的量为0.05×2 mol。
14.A、B、C三种强电解质，它们在水中电离出的离子如下表所示：
阳离子
Na+、K+、Cu2+
阴离子
SO42-、OH-

上图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放足量的A溶液、足量的B溶液、足量的C溶液，电极均为石墨电极。接通电源，经过一段时间后，测得乙中c电极质量增加了16 g。常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间(t)的关系图如上。据此回答下列问题：
(1)M为电源的　　　　(填“正”或“负”)极，电极b上发生的电极反应为　 。 
(2)计算电极e上生成的气体在标准状况下的体积　　　　。 
(3)写出乙烧杯的电解总反应：  　。 
(4)如果电解过程中B溶液中的金属离子全部析出，此时电解能否继续进行，为什么? 　 。 
(5)要使丙恢复到原来的状态，操作是  　。 
【答案】(1)负　4OH--4e-==2H2O+O2↑
(2)5.6 L
(3)2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
(4)能，因为CuSO4溶液已转变为H2SO4溶液，反应实质变为电解水的反应
(5)向丙烧杯中加4.5 g水
【解析】(1)根据乙中c极质量增加说明乙为硫酸铜溶液，c电极为阴极，M为电源负极，再依据pH的变化情况，可知丙为硫酸钾或者硫酸钠，甲为氢氧化钠或者氢氧化钾，电解池甲、丙都相当于电解水。b为阳极，电极反应式为4OH--4e-==2H2O+O2↑。(2)丙中e电极为阴极，生成的气体为氢气，根据c电极质量增加了16 g，结合电子守恒可以确定，电极e上生成氢气物质的量为0.25 mol，标准状况下为5.6 L。(3)乙中为电解硫酸铜溶液，电解总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4。(4)如果电解过程中B溶液中的金属离子全部析出，若继续电解则为电解硫酸溶液，电解反应可继续进行，其实质为电解水。(5)要使丙恢复到原来的状态，需要添加水，其物质的量(等于生成氢气的物质的量)为0.25 mol，质量为4.5 g。