高中化学电解池.doc

电解池编稿：乔震 审稿：祝鑫 责编：宋杰【本节学习目标】1、知道电解池的形成条件，正确叙述电解原理； 2、能正确判断电解池的阴、阳极；3、能正确书写电极反应式和电解反应方程式；4、了解氯碱工业、电镀工业、电冶金工业的化学原理。学习重点：理解电解原理和以电解CuCl2溶液为例得出惰性电极作阳极时的电解的一般规律学习难点：理解电解原理（本质）【知识要点梳理】知识点一：电解原理： （通过外接电源将电能转变成化学能）1、实验探究： 实验一 实验二 实验三实验一：将两根碳棒分别插进装有CuCl2溶液的U型管两端，浸入1分钟后，观察现象。实验二：用导线连接两根碳棒后，并接上电流计，再分别插进装有CuCl2溶液的U型管的两端，观察电流计指针是否偏转和两极的变化。实验三：在装有CuCl2溶液的U型管两端，插入两根碳棒作电极，并接上电流计，接通12V的直流电源，把湿润淀粉碘化钾试纸放在与直流电源正极相连的电极附近后，观察U型管内两极、溶液颜色、试纸颜色的变化和电流计指针是否偏转。实验现象及分析：实验一、二都无现象，实验三中与电源的负极相连的碳棒上有一层红色的固体析出，说明有铜生成；与电源的正极相连的碳棒上有气泡产生，并有刺激性气味，使湿润的淀粉碘化钾试纸变成了蓝色，说明有氯气生成；电流计指针发生偏转，说明电解质溶液导电；溶液的颜色逐渐变浅，说明Cu2+的浓度逐渐减小。实验注意事项：实验完毕后，把沾有浓NaOH溶液的棉花塞在U型管两端，吸收有害气体。小结：通过以上三个实验，得出结论：CuCl2溶液通电时发生了化学变化，生成了Cu和Cl2，电流的作用是这种化学变化的直接原因和动力。2、电解池： 电解池的定义：借助于电流在两极发生氧化还原反应的装置，叫电解池或电解槽。电解池就是一种把电能转化为化学能的装置。电解池的电极名称：电解池的两极由电极与电源正、负极的连接情况直接判断。阴极：与电源的负极相连的电极；吸引溶液中的阳离子、得电子、还原反应。阳极：与电源的正极相连的电极，吸引溶液中的阴离子、失电子、氧化反应。说明：阳极有惰性电极和活性电极之分，隋性电极只导电，不参与氧化还原反应(C、Pt、Au)；活性电极既导电又参与氧化还原反应(Cu、Ag等)。电解池的组成：直流电源、电极、电解质溶液或熔融的电解质，用导线连接成闭合电路。电解池的工作原理：在外加直流电源的作用下，使电解质溶液中的离子在阴阳两极引起氧化还原反应的过程，称为电解。电解质导电的过程就是电解。电子从电源的负极流向电解池的阴极，溶液中的离子分别向两极做定向移动，阴极吸引溶液中的阳离子Cu2+、H+，Cu2+在阴极上得电子还原为铜；阳极吸引溶液中的阴离子Cl-、OH-，Cl-在阳极上失电子氧化为氯原子，氯原子结合成氯分子，失去的电子沿导线流回电源正极，从而构成闭合回路。这就是电解原理。通电时，阴离子移向阳极，在阳极上失去电子发生氧化反应。阳离子移向阴极，在阴极得到电子发生还原反应。通电前：CuCl2=Cu2+2Cl - H2OH+ +OH - （电离） 做无规则运动通电后：与电源负极相连的碳棒吸引溶液中的阳离子（Cu2+、H+） Cu2+2e- = Cu（发生还原反应）与电源正极相连的碳棒吸引溶液中的阴离子（Cl-、OH-）2Cl - -2e- = Cl2（发生氧化反应）总反应式：CuCl2Cu+Cl23、离子的放电顺序： 阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电电解通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，在阴极区氧化性强的微粒先得电子，被还原。同时，电子又从电解池的阳流出，沿导线流回电源的正极，即在阳极区还原性强的微粒（包括电极）先失电子被氧化。阴极：阳离子在阴极上的放电顺序（得电子）大体可参照金属活动性顺序来推断。位于金属活动性顺序表后面的金属，其对应的阳离子越易得到电子。无论活性电极还是惰性电极都不参加反应，参加反应的是溶液中的阳离子。Ag+ Hg 2+ Fe3+ Cu2+H+ Pb 2+Sn2+Fe 2+Zn2+Al3+Mg2+Na+ Ca 2+ K+位于前边的氧化性强的微粒优先得到电子。阳极：当电极材料（阳极）为 Pt 或C时，还原性非常弱，此条件不被氧化，称为惰性电极。当电极材料（阳极）为Cu等金属（除了Pt和C），还原性强，易失电子,易被氧化，称为活性电极。若阳极是活泼或较活泼金属时，一般是电极的金属失去电子，而不是电解液中阴离子放电。若阳极是惰性电极时，阴离子在阳极上的放电顺序（失e-）S2-I-Br-Cl-OH-NO3-SO42-(等含氧酸根离子)F- (SO32-/MnO4-OH-) 位于前边的还原性强的微粒优先失去电子。说明：(1)活泼金属离子K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+在溶液中不会得到电子。(2)F-、SO42-、CO32-、NO3-等在溶液中不会失去电子。(3)当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生改变，当Zn2+H+或Fe2+H+时，Zn2+、Fe2+先得电子而H+后得电子。(4)石墨和金属铂是惰性电极，不会得失电子。知识点二：电解原理的应用1、电解饱和食盐水：用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极，电解饱和食盐水。溶液中存在的离子有Na+、Cl-、H+、OH-。根据放电的先后顺序，H+Na+、Cl-OH-，阳极电极反应式为2Cl-2e-=Cl2，阴极电极反应式为2H+2e-=H2。总反应式为：2NaCl+2H2OH2+Cl2+2NaOH。其中H2 、NaOH是阴极产物，Cl2是阳极产物。如电解前向溶液中滴加酚酞，随着电解反应的进行，溶液颜色由无色变为红色，两极极板上都有气体产生。2、铜的电解精炼：应用电解原理，进行粗铜的提纯。粗铜作阳极，纯铜作阴极，用CuSO4溶液(含铜离子的电解质溶液)作电解液。电极反应：阴极：Cu2+2e-Cu 阳极：Cu2e-Cu2+比铜活泼的金属杂质以阳离子形式进入溶液中；比铜不活泼的金属杂质(金银等贵重金属)形成阳极泥，沉积在阳极底部。说明：电解精炼铜过程中CuSO4溶液的浓度基本不变3、电镀铜： 若把阴极精铜棒换成铁棒，电解过程不变，但不是精炼铜了，而叫电镀铜。电镀：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀材料的选择：阴极镀件 阳极镀层金属 电镀液含有镀层金属离子的溶液电镀过程的特点：牺牲阳极；电镀液的浓度（严格说是镀层金属离子的浓度）保持不变；在电镀的条件下，水电离产生的H+、OH-一般不放电。实例：在铁制品上镀铜：阳极铜 阴极铁制品 电镀液CuSO4溶液阴极：Cu2+2e-Cu 阳极：Cu-2e-Cu2+注意：电镀的目的是使金属增强抗腐蚀能力，增加美观和表面硬度，但如果镀层被破坏，会增加金属的腐蚀速率。4、电冶金： 用来冶炼活泼的金属（适用范围：活泼金属KAl）例：电解熔融氯化钠：2NaCl(熔融) 2Na+Cl2阳极：2Cl-2e-=Cl2 阴极：2Na+2e-=2Na冶炼铝(Al2O3)：2Al2O34Al+3O2 阳极：6O2-12e- =3O2 阴极：4Al3+ + 12e- =4Al注意：工业上用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝但不能用AlCl3，原因就是AlCl3是共价化合物，熔融状态下不导电。规律方法指导 一、电解与电离的区别： 电离电解条件电解质溶于水或受热熔化状态电解质电离后再通直流电过程电解质电离成为自由移动的离子阴阳离子定向移动，在两极上失得电子成为原子或分子特点只产生自由移动的离子发生氧化还原反应生成了新物质联系电解必须建立在电离的基础上二、溶液导电与金属导电的区别： 从做定向移动的微粒和是否发生化学变化两个角度比较：金属导电是自由电子的定向移动，电解质溶液导电是阴、阳离子的定向移动；金属导电是物理变化，电解质溶液导电是非自发的化学变化；温度越高，金属导电性越弱、电解质溶液导电性越强；电解质溶液电解的过程就是电解质溶液导电的过程，电解质溶液导电的同时必定发生非自发的氧化还原反应。三、原电池与电解池的比较及判断 原电池电解池能量转换化学能转化为电能电能转化为化学能离子的迁移方向阴离子向负极迁移阳离子向正极迁移阴离子向阳极迁移阳离子向阴极迁移发生氧化反应的电极负极阳极(连接电源正极)发生还原反应的电极正极阴极(连接电源负极)相同点(从原理分析)都是氧化还原反应池型的判断：有外接电源是电解池，无外接电源是原电池；多池组合时，一般含活泼金属的池为原电池，其余都是在原电池带动下的电解池。电极的判断：原电池看电极材料，电解池看电源的正负极连接顺序。四、电解池电极反应规律（阳氧阴还）阴极：得电子，还原反应。电极本身不参加反应，一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子阳极：失电子，氧化反应。若为金属（非惰性）电极，电极失电子；若为惰性电极，电解质溶液中阴离子“争”失电子 五、电解规律： 根据离子的放电顺序，采用惰性电极电解酸碱盐的水溶液时的规律。1、电解水型： 电解某些含氧酸、强碱及活泼金属的含氧酸盐的水溶液时，实质是电解水。例：H2SO4、HNO3、KOH、NaOH、Na2SO4、KNO3、Na2CO3等物质的水溶液。电解完后加水可使溶液恢复原样。2H2O2H2+O2说明：电解水时加硫酸或氢氧化钠增强导电性，不影响水的电解。电解硫酸和氢氧化钠时因为氧气溶解度大于氢气，H2和O2之比大于22、电解溶质型： 电解不活泼金属无氧酸盐、无氧酸的水溶液时，实质是电解电解质本身。电解完后加入溶质可使溶液恢复原样。例：2HClH2+Cl2 CuCl2Cu+Cl23、放氧生酸型： 电解不活泼金属的含氧酸盐的水溶液时，阳极产生氧气，同时生成H+，阴极析出不活泼金属，电解质和水都参加反应。例：CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2等物质的水溶液。2CuSO4+2H2O2Cu+O2+2H2SO4 电解完后加入CuO或CuCO3可使溶液恢复原样。4、放氢生碱型： 电解活泼金属（K、Ca、Na）的无氧酸盐的水溶液时，阴极产生氢气，阳极析出非金属单质，电解质和水都参加反应。例：NaCl、KBr、BaCl2等物质的水溶液。2NaCl+2H2OH2+Cl2+2NaOH 电解完后加入HCl可使溶液恢复原样。六、电极反应式的书写分析溶液中存在的所有离子（包括水的电离）、并分成阳离子组和阴离子组。根据放电规律，阳离子在阴极发生还原反应，而阴离子在阳极发生氧化反应，完成电极反应式。（注意得失电子守恒）由阴阳两电极反应式，合并得总反应式。若已知一个电极反应式，可用总式减去已知的电极反应式，得另一电极反应式。注意：弱电解质必须保持分子形式。经典例题透析类型一：电解原理、电极的判断题1、图中x、y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板有无色无臭气体放出，符合a极板 b极板 x电极 z溶液的是 （ ）A、锌 石墨 负极 CuSO4B、石墨 石墨 负极 NaOHC、银 铁 正极 AgNO3D、铜 石墨 负极 CuCl2思路点拨:考查电极的判断的知识，灵活运用题目所给信息。解析：根据两电极质量的变化可判断出阴阳极。质量增加的一定是阴极。a极质量增加，a为阴极，即x极为负极，且电解液需有不活泼金属的阳离子，所以只能从A、D中选。在b极板上有无色无臭气体放出，D不符合（放出Cl2），所以只有A正确。【答案】A总结升华：在电解池中，阴极：得电子，发生还原反应，电极本身不参加反应，一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子；阳极：失电子，氧化反应，若为金属（非惰性）电极，电极失电子，若为惰性电极，电解质溶液中阴离子“争”失电子。举一反三：【变式1】某电解池内盛有Cu(NO3)2溶液，插入两根电极，接通直流电源后，欲达到如下要求：（1）阳极质量不变；（2）阴极质量增加；（3）电解液pH减小，则应选用的电极是（ ）A、阴极两极都用石墨 B、铜作阳极铁作阴极C、铁作阳极铜作阴极 D、铂作阳极铜作阴极解析：根据题目要求：阳极选择惰性电极、溶液中有不活泼金属的阳离子，电解实质是放氧生酸。【答案】AD【变式2】用石墨作电极，电解1mol/L下列物质的溶液，溶液的pH保持不变的是（ ）A、HCl B、NaOHC、Na2SO4 D、NaCl【答案】C考查电解的实质类型二：电解后溶液浓度的变化题2、用惰性电极电解下列溶液，电解一段时间后，阴极质量增加，电解液的pH下降的是（ ）A、CuCl2 B、AgNO3C、BaCl2 D、H2SO4思路点拨:考查电解的实质。解析：A项为电解溶质，B项为放氧生酸，C项为放氢生碱，D项为电解水。【答案】B总结升华：做题的思路：明确溶液中存在那些离子；阴阳两极附近有那些离子；根据阳极氧化、阴极还原分析得出产物。根据原溶液的酸、碱性和电极产物可对电解后溶液的pH的变化作出正确的判断。若电极产物只有H2而无O2，则pH变大；若电极产物只有O2而无H2，则pH变小；若电极产物既有O2又有H2，原溶液呈酸性，则pH变小，原溶液呈碱性则pH变大，原溶液呈中性，则pH不变。举一反三：【变式3】常温时，将500 mL pH=5的CuSO4 溶液用石墨电极电解一段时间，测得溶液的pH变为2，若使溶液的浓度、pH与电解前相同，可采用的方法（ ）。 A、向溶液中加入0.245g Cu(OH)2 B、向溶液中加0.31g CuSO4C、向溶液中加0.0025 mol H2SO4并加热D、向溶液中加0.2g CuO【答案】D类型三：有关电解的计算题3、在25时，将2个铜电极插入到一定的Na2SO4饱和溶液中，通直流电电解并不断搅拌，当阴极上收集到a mol的气体的同时，溶液中析出了b mol的结晶水合物Na2SO410H2O，若保持温度不变，则所剩溶液中溶质的质量分数是( ) A、71b/18a B、71b/36a C、71b/(161b+18a) D、71b/(161b+9a)思路点拨:准确分析阴阳极分别发生的反应，注意阳极是活性电极。解析：电解发生的电极反应：阳极为Cu-2e-Cu2+，阴极为2H+2e-H2， 电解时总的化学反应方程式为：Cu+2H2OCu(OH)2+H2，阴极逸出a molH2，水被电解了2a mol，根据溶解度知识，求出答案。【答案】C总结升华：做题的关键：一定要分析清楚电极的材料、各电极的反应。如果将题中的铜电极换作惰性电极，只改一个字，其电解的总方程式即为：2H2O2H2+O2，阴极逸出a mol H2，水被电解了a mol，答案就成了D。所以提高审题的准确性是很必要。有关电解的计算：通常是求电解后某产物的质量、物质的量、气体的体积、某元素的化合价以及溶液的pH、物质的量浓度等。运用电子守恒原理解答。举一反三：【变式4】将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064g（设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化）。此时，溶液中H+浓度约为（ ）A、410-3mol/L B、210-3 mol/L C、110-3 mol/L D、110-7mol/L【答案】A 解析：2CuSO4+2H2O2Cu+O2+2H2SO4 根据方程式计算。【变式5】 当用两铂电极电解100 g 10CuSO4溶液一段时间后，在阳极析出0.16g物质时，CuSO4溶液的质量分数为（ ）A、8.41 B、8.36 C、8.73 D、9.62【答案】A