1.2 第3课时 电解池的工作原理 学案（含答案） 2023-2024学年高二化学苏教版（2020）选择性必修第一册

1.2 第3课时　电解池的工作原理
【学习目标】
1.通过实验探究了解电解池的结构,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式和总反应式,提升证据推理与模型认知的学科素养。
【合作探究】
任务1　电解原理
【学习情境】
H2O属于弱电解质,电解水产生H2和O2,如何加快电解水的速率
【新知生成】
1.实验探究——电解氯化铜溶液
CuCl2溶液的电解
　　(1)实验步骤
(如图)在U形管中注入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电极附近,接通电源。
(2)实验现象
阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色的铜,在阳极石墨棒上有刺激性气味气体产生,且使湿润的碘化钾-淀粉试纸变成蓝色。
(3)原理分析
CuCl2在水溶液中电离产生Cu2+和Cl-:CuCl2Cu2++2Cl-。通电前,Cu2+和Cl-在溶液中做自由运动(如图1);通电时,这些自由的离子做定向运动,阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动(如图2)。当这些离子到达电极时,就失去或获得电子,发生氧化还原反应,这个过程叫作放电。
(4)电极反应
阳极:2Cl--2e-Cl2↑(氧化反应)
阴极:Cu2++2e-Cu(还原反应)
总反应方程式:CuCl2 Cu+Cl2↑
图1　通电前
图2　通电时
通电前后溶液中离子移动示意图
2.电解原理
(1)电解的概念
使直流电通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程叫作电解。
特别提醒:
①电解时所用电流必须是直流电而不是交流电。
②熔融状态的电解质可被电解,电解质溶液也可被电解。
③电解过程中,电能转化为化学能而“储存”在反应产物中。
(2)电解池
①把电能转化成化学能的装置叫作电解池(也可以叫作电解槽)。
②电解池的构成条件:直流电源,两个电极,电解质溶液或熔融态电解质,形成闭合回路。
③能量转化:将电能转化为化学能。
(3)电极反应
①半反应:在电解池中,氧化反应和还原反应在两个电极上分别进行,相当于氧化还原反应的一半,称为电极反应。
②阳极:与电源正极相连的发生氧化反应的电极叫作阳极。
③阴极:与电源负极相连的发生还原反应的电极叫作阴极。
(4)电子流向:电源负极→阴极,阳极→电源正极。
(5)离子迁移:阳离子定向地向阴极移动,阴离子定向地向阳极移动。
【核心突破】
典例1　现用Pt电极电解1L浓度均为0.1 mol·L-1的HCl、CuSO4的混合溶液,装置如图所示,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反应:Cu2++2e-Cu
C.当电路中通过的电子超过0.1 mol时,阴极放电的离子种类发生了变化
D.整个电解过程中,S不参与电极反应
【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项错误;阴极的反应为Cu2++2e-Cu,n(Cu2+)=0.1 mol,当电路中通过电子的量达到0.2 mol 时,Cu2+消耗完毕,阴极放电离子变为H+,C项错误;阳极先是Cl-放电,当Cl-消耗完毕,H2O电离产生的OH-开始在阳极放电,S不参与电极反应,D项正确。
【答案】D
归纳总结：
(1)电解池阴、阳极的判断
(2)电极产物的判断及有关反应式的书写
①首先判断阴阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。
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、电荷守恒和得失电子守恒。
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。
(3)电离与电解的比较
电离 电解
条件 电解质溶于水或熔融状态下 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,如CuCl2Cu2++2Cl- 阴、阳离子定向移动,在两极上失、得电子发生氧化反应、还原反应,如CuCl2Cu(阴极)+Cl2↑(阳极)
特点 只产生自由移动的离子 发生氧化还原反应,生成新物质
联系 电解必须建立在电离的基础上
　　训练1　关于用惰性电极电解CuCl2溶液的实验的说法错误的是(　　)
A.溶液中Cl-向阳极移动,Cu2+向阴极移动
B.阳极上发生还原反应,阴极上发生氧化反应
C.阴极反应:Cu2++2e-Cu
D.可以用湿润的KI-淀粉试纸检验阳极产生的气体为Cl2
【解析】溶液中Cu2+向阴极移动,Cl-向阳极移动,A项正确;阴极发生还原反应:Cu2++2e-Cu,阳极发生氧化反应:2Cl--2e-Cl2↑,B项错误,C项正确;可以用湿润的KI-淀粉试纸检验阳极产生的气体Cl2,D项正确。
【答案】B
任务2　以惰性电极电解电解质溶液的规律
【新知生成】
用惰性电极电解常见电解质溶液。
电解质溶液 阳极反应 阴极反应 电解总反应
稀H2SO4 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H++2e-H2↑ 2H2O2H2↑+O2↑
NaOH溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2H2O2H2↑+O2↑
Na2SO4溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2H2O2H2↑+O2↑
CuCl2溶液 2Cl--2e-Cl2↑ Cu2++2e-Cu CuCl2Cu+Cl2↑
CuSO4溶液 2H2O-4e-O2↑+4H+ Cu2++2e-Cu 2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
NaCl溶液 2Cl--2e-Cl2↑ 2H2O+2e-H2↑+2OH- 2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH
【核心突破】
典例2　用石墨作电极,电解Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是(　　)
A.相同条件下,逸出气体的体积:A电极B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出有刺激性气味气体
C.A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
【解析】S、OH-移向B电极,在B电极上OH-放电产生O2:2H2O-4e-O2↑+4H+,B电极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极上H+放电产生H2:2H2O+2e-H2↑+2OH-,A电极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误;相同条件下,A电极产生的气体体积大于B电极,A项错误;两种气体均为无色无味的气体,B项错误;用惰性电极电解Na2SO4溶液的实质是电解水,电解后的溶液全部转移到同一烧杯中,充分搅拌后,溶质仍为Na2SO4,溶液呈中性,D项正确。
【答案】D
归纳总结：(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 部分无氧酸(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 不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4) 电解质和水 生成新电解质 减小 加CuO
(2)以惰性电极电解电解质溶液前后溶液pH的变化规律可概括成: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。
　　训练2　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
【解析】电解稀硫酸,实质上是电解水,溶剂的质量减少,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,溶剂的质量减少,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,在阴极上和阳极上析出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。
【答案】D
课堂小结
【随堂检测】
1.下列说法中不正确的是(　　)
A.不能自发进行的氧化还原反应,一般可以通过电解实现
B.电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化
C.电解、电离均需要通电
D.电解池和原电池中均发生氧化还原反应
【解析】不能自发进行的氧化还原反应,一般可以通过电解实现,比如常温下铜与稀硫酸不反应,设计成电解池后,铜作阳极,硫酸作电解质溶液,可以生成硫酸铜和氢气,A项正确;电解质溶液导电时发生了电解,发生了氧化还原反应,发生了化学变化,金属导电属于物理变化,B项正确;电解需要通电,电离过程为电解质溶于水或熔化状态下产生自由移动的离子的过程,不需要通电,C项错误;电解池的阳极、原电池的负极均发生氧化反应,电解池的阴极、原电池的正极均发生还原反应,D项正确。
【答案】C
2.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是(　　)
A.AgNO3　CuCl2　Cu(NO3)2
B.KCl　Na2SO4　CuSO4
C.CaCl2　KOH　NaNO3
D.HCl　HNO3　K2SO4
【解析】电解AgNO3溶液生成Ag、O2和HNO3,溶液pH降低,A项不符合题意;电解KCl溶液生成KOH、H2和Cl2,溶液pH升高,电解Na2SO4溶液本质上是电解水,溶液pH不变,电解CuSO4溶液生成Cu、O2和H2SO4,溶液pH降低,B项符合题意;电解CaCl2溶液生成Ca(OH)2、H2和Cl2,溶液pH升高,电解KOH溶液本质上是电解水,溶液pH升高,电解NaNO3溶液本质上是电解水,溶液的pH不变,C项不符合题意;电解HCl溶液生成H2和Cl2,溶液的pH升高,电解HNO3溶液本质上是电解水,溶液的pH降低,电解K2SO4溶液本质上是电解水,溶液的pH不变,D项不符合题意。
【答案】B
3.用如图所示装置电解KCl和CuCl2的混合溶液,下列说法正确的是(　　)
A.石墨2表面覆盖一层红色的铜
B.相同条件下,a、b两管中产生的气体总体积可能相等
C.a管中产生的气体能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝
D.开始时向U形管两端滴入酚酞试液后,b管中先呈红色
【解析】石墨1是阴极,石墨2为阳极,电解KCl和CuCl2混合溶液时,阳极上Cl-失电子:2Cl--2e-Cl2↑,无铜生成,A项错误;电解KCl和CuCl2混合溶液时,a管中产生的气体是氢气,氢离子在铜离子放电完毕后放电,b管中开始产生氯气,在氯离子放电完毕前,生成氢气少,氯气多,之后为电解水:2H2O2H2↑+O2↑,a管中产生氢气,b管中产生的氧气,产生的氢气多,氧气少,电解一定量的水,可以使两管中产生的气体总体积相等,B项正确;a管产生的气体为氢气,不能使湿润的淀粉-KI试纸变蓝,C项错误;阴极上Cu2+ 和H+先后放电,溶液碱性增强,阳极上Cl-和 OH-先后放电,溶液酸性增强,a管先呈红色,D项错误。
【答案】B
4.用铂作电极电解一定浓度的下列物质的水溶液,电解结束后,向剩余电解质溶液中加适量水,能使溶液和电解前相同的是(　　)
A.CuSO4 B.H2SO4 C.CuCl2 D.NaCl
【解析】根据“向剩余电解质溶液中加适量水,能使溶液和电解前相同”可知,当电解池的电极是惰性电极时,电解的本质是电解水。用铂作电极电解上述四种溶液的原理分别为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4、2H2O2H2↑+O2↑、CuCl2Cu+Cl2↑、2NaCl+2H2OH2↑+Cl2↑+2NaOH,故B项符合。
【答案】B
5.下列以石墨为电极电解不同物质的电极反应式中,错误的是(　　)
A.电解饱和食盐水的阴极:Na++e-Na
B.电解CuSO4溶液的阴极:Cu2++2e-Cu
C.电解熔融MgCl2的阴极:Mg2++2e-Mg
D.电解NaOH溶液的阳极:4OH--4e-2H2O+O2↑
【解析】以石墨为电极电解饱和食盐水时,阴极应是H2O电离出的H+得电子放出H2,电极反应式为2H++2e-H2↑,A项错误。
【答案】A
6.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
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