2022-2023學(xué)年人教版選擇性必修一 4.2.1 電解池的原理 學(xué)案

4.2.1電解池的原理知識(shí)精講知識(shí)精講實(shí)驗(yàn)探究——電解CuCl2溶液實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)分析電流表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)電解質(zhì)溶液導(dǎo)電，形成閉合回路b極上逐漸覆蓋了一層紅色物質(zhì)析出金屬銅，Cu2++2e-Cua極上產(chǎn)生刺激性氣味的氣體，使?jié)駶?rùn)的碘化鉀淀粉試紙變藍(lán)產(chǎn)生了氯氣，2Cl--2e-Cl2↑電解CuCl2溶液的總反應(yīng)：CuCl2eq\o(=,\s\up7(電解))Cu+Cl2↑一、電解、電解池、放電1．電解：使電流通過(guò)電解質(zhì)溶液（或熔融電解質(zhì)）而引起氧化還原反應(yīng)的過(guò)程叫做電解。2．電解池：把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，叫做電解池，也叫電解槽。3.放電：當(dāng)離子到達(dá)電極時(shí)，失去/獲得電子，發(fā)生氧化/還原反應(yīng)的過(guò)程，稱為放電。電解池的基本規(guī)律構(gòu)成條件①直流電源；②兩個(gè)電極；③閉合回路；④電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)電極陽(yáng)極與電源_______相連，發(fā)生_______反應(yīng)陰極與電源_______相連，發(fā)生_______反應(yīng)離子流向陰離子移向______；陽(yáng)離子移向______電子流向電源____極流向電解池____極；電解池____極流向電源____極【答案】正極氧化負(fù)極還原陽(yáng)極陰極負(fù)陰陽(yáng)正三、陰、陽(yáng)極的放電順序1.陽(yáng)極放電順序（1）若是活性電極做陽(yáng)極，則活性電極首先失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；（2）若是Pt、Au、C等惰性電極作陽(yáng)極，則僅是溶液中的陰離子放電。即：活潑金屬＞S2-＞I-＞Br-＞Cl-＞OH-＞SO42-等（含氧酸根離子）＞F2.陰極放電順序（1）陰極上放電的總是溶液(或熔融電解質(zhì))中的陽(yáng)離子，與電極材料無(wú)關(guān)；（2）氧化性強(qiáng)的離子先放電，放電順序如下：Ag+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+。四、電極方程式的書寫1.寫出溶液中存在的離子并比較放電順序2.根據(jù)氧化還原或題目信息，判斷產(chǎn)物并寫出電極反應(yīng)五、常見(jiàn)電解類型的電解規(guī)律類型電解質(zhì)反應(yīng)式溶液pH復(fù)原方法電解水型H2SO4陰極：_________________________陽(yáng)極：_________________________總反應(yīng)：___________________________________NaOH______Na2SO4______電解電解質(zhì)型CuCl2陰極：_________________________陽(yáng)極：_________________________總反應(yīng)：___________________________________放H2生堿型NaCl陰極：_________________________陽(yáng)極：_________________________總反應(yīng)：___________________________________放O2生酸型CuSO4陰極：_________________________陽(yáng)極：_________________________總反應(yīng)：___________________________________【答案】類型電解質(zhì)反應(yīng)式溶液pH復(fù)原方法電解水型H2SO4陰極：4H++4e-=2H2↑陽(yáng)極：4OH--4e-=2H2O+O2↑總反應(yīng)：2H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))2H2↑+O2↑變小加適量水NaOH變大Na2SO4不變電解電解質(zhì)型CuCl2陰極：Cu2++2e-=Cu陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑總反應(yīng)：CuCl2eq\o(=,\s\up7(通電))Cu+Cl2↑變大加CuCl2放H2生堿型NaCl陰極：2H++2e-=H2↑陽(yáng)極：2Cl--2e-=Cl2↑總反應(yīng)：2NaCl+2H2Oeq\o(=====,\s\up7(通電))2NaOH+H2↑+Cl2↑變大通HCl氣體放O2生酸型CuSO4陰極：2Cu2++4e-=2Cu陽(yáng)極：4OH--4e-=2H2O+O2↑總反應(yīng)：2CuSO4+2H2Oeq\o(=====,\s\up7(通電))2Cu+2H2SO4+O2↑變小加CuO對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練題型一：放電順序與放電產(chǎn)物的判斷【變2】（2019·福建·泉州第十六中學(xué)高二月考）采用惰性電極從、、Cl-、Cu2+、Ba2+、Ag+、H+選出適當(dāng)離子組成的電解質(zhì)（非熔融態(tài)下），并電解，(1)若兩極分別放出H2和O2，電解質(zhì)可能為_(kāi)__。(2)若陰極析出金屬，陽(yáng)極放出O2，電解質(zhì)可能為_(kāi)__。(3)若兩極分別放出氣體，且體積比為1：1，電解質(zhì)可能為_(kāi)__。(4)若既無(wú)O2也無(wú)H2放出，則電解質(zhì)可能為_(kāi)__?！敬鸢浮緽a(NO3)2、H2SO4、HNO3AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4HCl、BaCl2CuCl2【分析】陰極上陽(yáng)離子放電順序?yàn)锳g+>Cu2+>H+>Ba+，陽(yáng)極上陰離子放電順序?yàn)镃l->OH->、，根據(jù)電極產(chǎn)物判斷陰陽(yáng)極放電的離子，從而確定溶液中的電解質(zhì)?！驹斀狻筷帢O上陽(yáng)離子放電順序?yàn)锳g+>Cu2+>H+>Ba2+，陽(yáng)極上陰離子放電順序?yàn)镃l?>OH?>含氧酸根，(1)當(dāng)陰極放出H2，陽(yáng)極放出O2時(shí)，則陰極H+放電，陽(yáng)極OH?放電，則溶液中的陰離子為硫酸根或硝酸根，陽(yáng)離子是H+或Ba2+，BaSO4為沉淀，所以電解質(zhì)是Ba(NO3)2、H2SO4、HNO3；故答案為Ba(NO3)2、H2SO4、HNO3；(2)當(dāng)陰極析出金屬時(shí)，陰極為Cu2+或Ag+放電，陽(yáng)極放出O2，陽(yáng)極為OH?放電，則溶液中的陰離子為硫酸根或硝酸根，電解質(zhì)是AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4，故答案為AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4；(3)若兩極分別放出氣體，且體積比為1：1，則陰極放出H2，陽(yáng)極放出Cl2，陰極為H+放電，溶液中的陽(yáng)離子為H+或Ba2+，陰離子為Cl?放電，溶液中的陰離子為Cl?，所以電解質(zhì)為HCl、BaCl2；故答案為HCl、BaCl2；(4)電解過(guò)程中既無(wú)O2也無(wú)H2放出，則陰極上析出金屬，陰極為Cu2+或Ag+放電，陽(yáng)極上產(chǎn)生氯氣，陰離子為Cl?放電，AgCl為沉淀，則電解質(zhì)應(yīng)為CuCl2；故答案為CuCl2。【點(diǎn)睛】電解池中陰陽(yáng)極放電順序的判斷方法：(1)陰極：陰極上放電的總是溶液中的陽(yáng)離子，與電極材料無(wú)關(guān)。金屬活動(dòng)性順序表中越排在后面的，其離子的氧化性越強(qiáng)，越易得到電子(注意Fe3+在Cu2+后面)而放電，其放電順序?yàn)椋篕+Ca2+Na+Al3+(水中）H+Zn2+Fe2+Sn4+Pb2+H+Cu2+Fe3+Ag+。(2)陽(yáng)極：若為活性電極做陽(yáng)極，則活性電極首先失電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；若為惰性電極做陽(yáng)極，則僅是溶液中的陰離子放電，其常見(jiàn)的放電順序?yàn)椋篎-含氧酸根離子OH-Cl-Br-I-S2-。如本題中溶液中的陽(yáng)離子有H+和Na+，陰極上H+優(yōu)先放電，得電子得到氫氣，氫離子來(lái)自水，則同時(shí)生成氫氧化鈉；溶液中的陰離子有Cl-和OH-，陽(yáng)極上Cl-優(yōu)先放電，失電子得到氯氣。題型二：電極方程式的書寫【例3】（2021·寧夏·銀川市第六中學(xué)高二月考）用情性電極電解下列溶液：（1）電解KNO3溶液陽(yáng)極反應(yīng)___________（2）電解CuCl2溶液陰極反應(yīng)___________（3）電解氫氧化鈉溶液的總反應(yīng)___________（4）電解CuSO4與NaCl混合溶液開(kāi)始時(shí)陽(yáng)極反應(yīng)___________，陰極反應(yīng)___________【答案】（1）4OH--4e-=O2↑+2H2O或2H2O-4e-=O2↑+4H+（2）Cu2++2e-=Cu（3）2H2OO2↑+2H2↑（4）2Cl--2e-=Cl2↑Cu2++2e-=Cu【解析】（1）惰性電極電解硝酸銀溶液時(shí)，陽(yáng)極為水電離出的氫氧根放電生成氧氣，電極方程式為4OH--4e-=O2↑+2H2O或2H2O-4e-=O2↑+4H+；（2）惰性電極電解CuCl2溶液時(shí)，陰極銅離子放電生成銅單質(zhì)，電極方程式為Cu2++2e-=Cu；（3）惰性電極電解NaOH溶液時(shí)，陽(yáng)極氫氧根放電生成氫氣，陰極水電離出的氫離子放電生成氫氣，實(shí)質(zhì)上是電解水，總反應(yīng)為2H2OO2↑+2H2↑；（4）惰性電極電解CuSO4與NaCl混合溶液開(kāi)始時(shí)陽(yáng)極氯離子放電生成氯氣：2Cl--2e-=Cl2↑，陰極為銅離子放電生成銅單質(zhì)：Cu2++2e-=Cu。題型三：電解池中的計(jì)算【例4】（2019·陜西·渭南市三賢中學(xué)高二期中）如圖所示的A、B兩個(gè)電解池中的電極均為鉑，在A池中加入0.05mol·L?1的CuCl2溶液，B池中加入0.1mol·L?1的AgNO3溶液，進(jìn)行電解。a、b、c、d四個(gè)電極上所析出的物質(zhì)的物質(zhì)的量之比是A．2∶2∶4∶1 B．1∶1∶2∶1C．2∶1∶1∶1 D．2∶1∶2∶1【答案】A【詳解】a為陰極，銅離子得到電子生成銅，電極反應(yīng)為Cu2++2e-=Cu；b為陽(yáng)極，氯離子失去電子生成氯氣，電極反應(yīng)為2Cl--2e-=Cl2↑；c為陰極，銀離子得到電子生成銀，電極反應(yīng)為Ag++e-=Ag；d為陽(yáng)極，氫氧根離子失去電子生成氧氣，電極反應(yīng)為4OH--4e-=O2↑+2H2O；根據(jù)電子守恒，四種物質(zhì)的物質(zhì)的量關(guān)系為2:2:4:1。故選A。【點(diǎn)睛】掌握串聯(lián)電路中電流相同，所以通過(guò)電子物質(zhì)的量相等。題型四：電解池的基本原理【例6】（2021·陜西金臺(tái)·高二期末）在如圖所示的裝置中，若通直流電5min時(shí)，銅電極質(zhì)量增加2.16g。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：(1)Y電極為直流電源的___________極。(2)B中陽(yáng)極的電極反應(yīng)式為_(kāi)__________。(3)C中pH變化：___________(填“增大”、“減小”或“不變”)。(4)A中反應(yīng)的方程式為_(kāi)__________。若A中KCl溶液的體積是200mL，電解后，溶液的pH為_(kāi)__________(設(shè)電解前后溶液體積不變)。【答案】正極2H2O-4e-=O2↑+4H+不變2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH13【分析】用通直流電5min時(shí)，銅電極質(zhì)量增加2.16g，則Cu電極為陰極，因此X為電源的負(fù)極，Y電極為直流電源的正極。A為用惰性電極電解氯化鉀溶液，生成氯氣、氫氣和氫氧化鉀；B為用惰性電極電解硫酸銅溶液，生成銅Cu、O2和H2SO4；C中的Ag電極為陽(yáng)極，銀本身放電，據(jù)此分析解答?！驹斀狻?1)銅電極的質(zhì)量增加，發(fā)生的反應(yīng)為Ag++e-═Ag，則Cu電極為陰極，Ag為陽(yáng)極，因此Y為直流電源的正極，X為直流電源的負(fù)極，故答案為：正；(2)B中的陽(yáng)極上OH-放電，電極反應(yīng)式為4OH--4e-═2H2O+O2↑(或2H2O-4e-=O2↑+4H+)，故答案為：4OH--4e-═2H2O+O2↑(或2H2O-4e-=O2↑+4H+)；(3)C中的Ag電極為陽(yáng)極，銀本身放電，故電極反應(yīng)為：Ag-e-═Ag+，C中陰極反應(yīng)為Ag++e-═Ag，因此溶液pH不變，故答案為：不變；(4)A為電解KCl溶液，生成KOH、Cl2和H2，電解的方程式為2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-(或2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH)；通電5min時(shí)，銅電極的反應(yīng)式為Ag++e-═Ag，n(Ag)==0.02mol，電路中通過(guò)0.02mol電子。A中放出0.01molH2，溶液中生成0.02molKOH，c(OH-)==0.1mol?L-1，則c(H+)=10-13mol?L-1，因此pH=-lgc(H+)=13，故答案為：2KCl+2H2OCl2↑+H2↑+2KOH(或2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-)；13?！军c(diǎn)睛】明確Cu電極的質(zhì)量增加是解答本題的突破口。本題的易錯(cuò)點(diǎn)為(4)，要注意溶液pH的計(jì)算方法的理解和應(yīng)用。題型五：電解池的分段電解【變9-2】（2021·黑龍江實(shí)驗(yàn)中學(xué)高二期中）400mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO)=0.6mol·L-1，用石墨作電極電解此溶液，當(dāng)通電一段時(shí)間后，兩極均收集到2.24L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，假定電解后溶液體積仍為400mL，下列說(shuō)法正確的是A．原混合溶液中c(K+)為0.1mol·L-1B．上述電解過(guò)程中共轉(zhuǎn)移0.2mol電子C．電解得到的Cu的物質(zhì)的量為0.05molD．電解后溶液中c(H+)為0.2mol·L-1【答案】A【分析】電解硝酸鉀和硝酸銅混合溶液時(shí)，陽(yáng)極上氫氧根離子放電生成氧氣：4OH--4e-=2H2O+O2↑，陰極上先銅離子放電生成銅單質(zhì)：Cu2++2e-=Cu，當(dāng)銅離子完全析出時(shí)，氫離子放電生成氫氣：2H++2e-=H2↑，兩極均收集到2.24L氣體(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)，氣體的物質(zhì)的量是0.1mol，每生成1mol氧氣轉(zhuǎn)移4mol電子，每生成1mol氫氣轉(zhuǎn)移2mol電子，每生成1mol銅轉(zhuǎn)移2mol電子，所以根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒得銅的物質(zhì)的量是0.1mol，則銅離子的物質(zhì)的量濃度=0.1mol/0.4L=0.25mol/L，根據(jù)電荷守恒得鉀離子濃度=0.6mol/L-0.25mol/L2=0.1mol/L，據(jù)此分析解答。【詳解】A．據(jù)分析可知原混合溶液中c(K+)為0.1mol·L-1，A正確；B．上述電解過(guò)程中共轉(zhuǎn)移0.4mol電子，B錯(cuò)誤；C．電解得到的Cu的物質(zhì)的量為0.1mol，C錯(cuò)誤；D．當(dāng)電解硝酸銅時(shí)溶液中生成H+，當(dāng)電解硝酸鉀溶液時(shí)，實(shí)際上是電解水，所以電解后H+的物質(zhì)的量為氧氣的4倍，c(H+)==1mol·L-1，D錯(cuò)誤；故答案選A。題型六：電解質(zhì)溶液的復(fù)原【變10-2】（2020·江西南昌·高二期中）用惰性電極電解硫酸銅溶液，整個(gè)過(guò)程轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量與產(chǎn)生氣體總體積的關(guān)系如圖所示(氣體體積均在相同狀況下測(cè)定)。欲使溶液恢復(fù)到起始狀態(tài)，向溶液中加入A．0.1molCuO B．0.1molCuCO3C．0.075molCu(OH)2 D．0.05molCu2(OH)2CO3【答案】D【分析】電解CuSO4溶液時(shí)，開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，一段時(shí)間后，氣體體積增大，說(shuō)明發(fā)生反應(yīng)：2H2O2H2↑+O2↑。結(jié)合圖象數(shù)據(jù)分析解答?！驹斀狻侩娊釩uSO4溶液時(shí)，開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)移相同電子時(shí)得到氣體體積增大，說(shuō)明發(fā)生反應(yīng)：2H2O2H2↑+O2↑。由圖可知，第一階段析出Cu為=0.1mol，放出的氧氣為0.05mol，則需要加入0.1molCuO，第二階段消耗的水為=0.05mol，因此恢復(fù)為電解前的濃度需要加入0.1molCuO和0.05molH2O。由于CuCO3反應(yīng)生成二氧化碳，0.1molCuCO3相當(dāng)于加入0.1molCuO，不能恢復(fù)為電解前的濃度；Cu(OH)2可以改寫為CuO·H2O，0.075molCu(OH)2相當(dāng)于加入0.075molCuO和0.075molH2O，也不能恢復(fù)為電解前的濃度；Cu2(OH)2CO3可以改寫為2CuO·H2O·CO2，0.05molCu2(OH)2CO3等效為加入0.1molCuO、0.05molH2O，溶液可恢復(fù)