1.3 第1课时 电解的原理 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学鲁科版（2019）选择性必修1

1.3 第1课时　电解的原理
【学习目标】
1.通过实验探究了解电解池的构成,理解电解池的工作原理,知道原电池与电解池的区别。
2.通过交流讨论理解电解的规律,学会判断电解的产物,学会书写电解的电极反应和总反应,提升证据推理与模型认知的学科素养。
【自主预习】
一、电解熔融氯化钠实验
电极名称 铁电极 石墨电极
现象 铁片上产生银白色金属 石墨片周围有气泡产生
离子移动方向 　　移向铁电极 　　移向石墨电极
电极反应 　　　 　　　
反应类型 　　　 　　　
实验结论 2NaCl2Na+Cl2↑
【微点拨】
电解质的导电过程是被电解的过程,属于化学变化;金属导电过程是电子的定向移动,属于物理变化。
二、基本概念
1.电解:让　　　　通过电解质溶液或熔融的电解质,在两个电极上分别发生　　　　反应和　　　　反应的过程。
2.电解池
(1)定义:将　　　　转化为　　　　的装置。
(2)构成条件:　　　　电源、固体电极材料以及电解质溶液或熔融的电解质并构成　　　　。
3.电极
阳极——发生　　　　反应的电极(与电源正极相连);
阴极——发生　　　　反应的电极(与电源负极相连)。
4.电极反应
在电极上进行的半反应,可以用电极反应表示。
三、电解池的工作原理
【参考答案】一、阳离子(Na+)　阴离子(Cl-)　2Na++2e-2Na
2Cl--2e-Cl2↑　还原反应　氧化反应
二、1.直流电　氧化　还原　2.(1)电能　化学能
(2)直流　闭合回路　3. 氧化　还原
【效果检测】
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。
(1)与电源正极相连的是电解池的阴极。 (　　)
(2)用惰性电极电解NaCl溶液时可以得到Na和Cl2。 (　　)
(3)电解池工作时,阳极发生还原反应,失去电子。 (　　)
(4)电解池工作时,阳极上的电子通过电解质溶液移向阴极。 (　　)
(5)电解AgNO3溶液时,Ag+移向阳极,N移向阴极。 (　　)
【答案】(1)×　(2)×　(3)×　(4)×　(5)×
2.什么是电解 电解有什么特点
【答案】①概念:将电能转化为化学能的过程。
②特点:a.电解是最强有力的氧化还原手段,是不可逆的;b.电解质溶液的导电过程,就是电解质溶液的电解过程。
3.如何判断一套装置是原电池还是电解池
【答案】看有无外接直流电源,有外接直流电源的是电解池,无外接直流电源的是原电池。
4.将下面的电极反应与对应的电极名称连线。
①Na++e-Na
②氧化反应　　　　　　　　　　　　　A.阳极
③还原反应
④4OH--4e-2H2O+O2↑ B.阴极
【答案】①—B　②—A　③—B　④—A
【合作探究】
任务1：电解原理
情境导入　1807年,当英国化学家戴维将铂电极插入熔融的氢氧化钾并接通直流电源时,奇迹发生了,在阴极附近产生一种银白色的金属,随即形成紫色的火焰。这就是发现钾元素的主要过程,当时在社会上引起轰动。这其中的奥妙是什么 下面就让我们一起探讨吧!
问题生成
1.电解熔融的氢氧化钾过程中能量的转化形式是什么
【答案】电能转化为化学能。
2.从氧化还原反应角度分析,电解熔融的氢氧化钾的过程中阴极发生的反应类型是什么 阳极发生的反应类型是什么
【答案】阴极附近生成钾,钾元素化合价降低,发生还原反应,则阳极发生氧化反应。
3.分析电解熔融的氢氧化钾过程中电子的流向;电子通过熔融电解质吗
【答案】电子从电源负极流出,流入电解池阴极,从电解池阳极流回电源正极;不通过。
4.若戴维将熔融的氢氧化钾换成氢氧化钾溶液,他还能制得钾单质吗 为什么 若不能,得到的产物是什么 并写出阴、阳极反应和总反应。
【答案】不能;因为溶液中存在H+,H+放电顺序优先于K+。得到的产物是H2和O2;
阳极反应:2H2O-4e-O2↑+4H+;
阴极反应:4H2O+4e-2H2↑+4OH-;
总反应:2H2O2H2↑+O2↑。
5.若将铂电极换成铜电极,电解氢氧化钾溶液,电解产物和问题4相同吗 若不同,请写出阴、阳极反应和总反应。
【答案】不同。阳极反应:Cu-2e- Cu2+;
阴极反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-;
总反应:2H2O+CuCu(OH)2+H2↑。
【核心归纳】
1.电解池阴、阳极的判断
2.电极产物的判断及有关反应的书写
(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活性电极。
(2)再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(勿忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)排出阴、阳两极的放电顺序
(4)分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应,要注意遵循原子守恒、电荷守恒和电子守恒。
(5)写出电解总反应,在两极转移电子数目相同的前提下,两极反应相加即可得总反应的化学方程式或离子方程式。
【典型例题】
【例1】下图所示装置中,属于电解池的是　　　(填序号)。
【答案】③⑥
【解析】根据电解池的构成条件判断:①②⑤无外接直流电源,不能构成电解池;④无电解质溶液或熔融电解质;⑦中蔗糖属于非电解质,不能构成电解池;⑧没有形成闭合回路,不能构成电解池。
【例2】某同学按如图所示的装置进行电解实验,下列说法正确的是　　　　(填序号)。
①电解过程中,铜电极上的电极反应:Cu-2e-Cu2+
②电解初期,主反应:Cu+H2SO4CuSO4+H2↑
③电解一定时间后,石墨电极上有铜析出
④整个电解过程中,H+的浓度不断增大
【答案】①②③
【解析】阳极反应为Cu-2e-Cu2+,电解初期,阴极上是溶液中的H+放电,电极反应为2H++2e-H2↑,溶液中的H+浓度不断降低,总反应为Cu+H2SO4CuSO4+H2↑,随着反应的进行,溶液中Cu2+数目增多,此时在阴极上Cu2+得电子,电极反应为Cu2++2e-Cu,此时溶液中H+浓度不变,故溶液中的H+浓度先减小后不变。
方法技巧：原电池与电解池的区别
装置类别 原电池 电解池
能量转化 化学能转化为电能 电能转化为化学能
电极名称 负极 正极 阴极 阳极
电极判断 流出电子 流入电子 连电源负极 连电源正极
反应类型 氧化反应 还原反应 还原反应 氧化反应
电子流向 负极→外电路→正极 电解池阳极→电源正极;电源负极→电解池阴极
离子移动方向 阳离子向正极移动;阴离子向负极移动 阳离子向阴极移动;阴离子向阳极移动
反应能否自发进行 能 不能
任务2：电解规律的探究
【核心归纳】
1.惰性电极电解电解质溶液的四种类型
类型 电极反应特点 电解质溶液 电解对象 电解质浓度 pH 电解质溶液复原
电解 水型 阴极:4H++4e-2H2↑ 阳极:4OH--4e-2H2O+O2↑ 强碱(如NaOH) 水 增大 增大 加水
含氧酸(如H2SO4) 水 增大 减小 加水
活泼金属的最高价含氧酸盐(如Na2SO4) 水 增大 不变 加水
电解电 解质型 电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电 无氧酸(如HCl) 电解质 减小 增大 通入HCl气体
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2) 电解质 减小 - 加CuCl2
放H2 生碱型 阴极:H2O放H2生成碱 阳极:电解质阴离子放电 活泼金属的无氧酸盐(如NaCl) 电解质和水 生成新 电解质 增大 通入HCl气体
放O2 生酸型 阴极:电解质阳离子放电 阳极:H2O放O2生成酸 不活泼金属的最高价含氧酸盐(如CuSO4) 电解质和水 生成新 电解质 减小 加CuO
2.用惰性电极电解电解质溶液前后溶液pH的变化规律
有氢无氧增碱性,有氧无氢增酸性,有氢有氧增原性,无氢无氧减原性。
【典型例题】
【例3】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NaOH溶液,要消耗OH-,故溶液pH减小
C.电解NaNO3溶液,在阴极上和阳极上生成气体产物的物质的量之比为1∶2
D.电解CuCl2溶液,在阴极上和阳极上生成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,溶剂的质量减小,溶质的质量不变,所以溶液的浓度增大,H+的浓度增大,溶液的pH变小,A项错误;电解稀NaOH溶液,实质上是电解水,溶剂的质量减小,溶质的质量不变,所以溶液的浓度增大,OH-的浓度增大,溶液的pH变大,B项错误;电解NaNO3溶液,实质上是电解水,阴极上H+得电子生成氢气,阳极上OH-失电子生成氧气,根据得失电子守恒,在阴极上和阳极上生成气体产物的物质的量之比为2∶1,C项错误;电解CuCl2溶液时,阴极上Cu2+得电子生成铜,阳极上Cl-失电子生成氯气,根据得失电子守恒,在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1,D项正确。
【例4】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纯净物(方括号内的物质),能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)。(已知原溶液中电解质未完全电解)
A.AgNO3[AgNO3]　　　　 B.NaOH[H2O]
C.KCl[KCl]　　 D.CuSO4[Cu(OH)2]
【答案】B
【解析】A项,4AgNO3+2H2O4Ag+O2↑+4HNO3,脱离溶液的物质是4Ag+O2,相当于2Ag2O,所以应当加入适量Ag2O才能复原;B项,2H2O2H2↑+O2↑,脱离溶液的是2H2+O2,相当于2H2O,加入适量水可以复原;C项,2KCl+2H2O2KOH+H2↑+Cl2↑,脱离溶液的是H2+Cl2,相当于2HCl,应通入适量HCl气体才能复原;D项,2CuSO4+2H2O2H2SO4+2Cu+O2↑,脱离溶液的是2Cu+O2,相当于2CuO,加入适量CuO可以复原。
灵犀一点：电解后溶液的复原,从溶液中放出的气体和生成的固体,按照原子个数之比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。
【随堂检测】
课堂基础
1.用石墨作电极电解CuCl2溶液,下列说法正确的是(　　)。
A.在阳极上析出金属铜
B.在阴极上析出金属铜
C.在阴极上产生有刺激性气味的气体
D.阳极上发生还原反应
【答案】B
【解析】根据电解原理,阳极发生氧化反应:2Cl--2e-Cl2↑,阴极发生还原反应:Cu2++2e-Cu。因此在阳极上产生有刺激性气味的氯气,在阴极上析出铜。
2.图中x、y分别是直流电源的两极,通电后发现a电极质量增加,b电极处有无色无味气体放出,符合这一情况的是(　　)。
选项 a电极 b电极 x极 Z溶液的溶质
A 锌 石墨 负极 CuSO4
B 石墨 石墨 负极 NaOH
C 银 铁 正极 AgNO3
D 铜 石墨 负极 CuCl2
　　【答案】A
【解析】通电后发现a电极质量增加,b电极处有无色无味气体放出,说明a电极是阴极,溶液中的金属阳离子放电,b电极是阳极,溶液中的OH-放电生成氧气,则x极是负极,y极是正极,A项符合。
3.有下列两组电解池,电极均为惰性电极,实验时通电时间和电流强度都相同。
(1)电解后,溶液pH增大的是　　　　(填“甲”、“乙”、“丙”或“丁”,下同),溶液pH减小的是　　　　。
(2)电解后电极上有固体析出的是　　　　。
(3)电解时生成的气体在同温同压下总体积相等的是　　　　　　　　。
【答案】(1)丙　甲、丁
(2)丁
(3)甲、乙、丙
对接高考
4.(2022·福建卷,9)一种化学“自充电”的锌-有机物电池,电解质为KOH和Zn(CH3COO)2水溶液。将电池暴露于空气中,某电极无需外接电源即能实现化学自充电,该电极充放电原理如下图所示。下列说法正确的是(　　)。
A.化学自充电时,c(OH-)增大
B.化学自充电时,电能转化为化学能
C.化学自充电时,锌电极反应式:Zn2++2e-Zn
D.放电时,外电路通过0.02 mol电子,正极材料损耗0.78 g
【答案】A
【解析】由图可知,化学自充电时,消耗O2,该反应为O2+2H2O+4e-4OH-,c(OH-)增大,A项正确;化学自充电时,无需外接电源即能实现化学自充电,该过程不是电能转化为化学能,B项错误;由图可知,化学自充电时,锌电极作阴极,该电极的电极反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C项错误;放电时,1 mol转化为,消耗2 mol K+,外电路通过0.02 mol电子时,正极物质增加0.02 mol K+,增加的质量为0.02 mol×39 g·mol-1=0.78 g,D项错误。
5.(2021·天津卷,11)如下图所示电解装置中,通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,下列判断错误的是(　　)。
A.a是电源的负极
B.通电一段时间后,向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出现红色
C.随着电解的进行,CuCl2溶液浓度变大
D.当0.01 mol Fe2O3完全溶解时,至少产生气体336 mL(折合成标准状况下)
【答案】C
【解析】通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成,Fe2O3逐渐溶解,说明石墨电极Ⅱ为阳极,则电源b为正极,a为负极,石墨电极Ⅰ为阴极。A项, a是电源的负极,正确;B项,石墨电极Ⅱ为阳极,通电一段时间后,产生氧气和氢离子,所以向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液,出现红色,正确;C项,随着电解的进行,铜离子在阴极得电子生成铜单质,所以CuCl2溶液浓度变小,错误;D项,当0.01 mol Fe2O3完全溶解时,消耗的氢离子为0.06 mol,根据阳极反应2H2O-4e-4H++O2↑,产生的氧气为0.015 mol,体积为336 mL(折合成标准状况下),正确。
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