1、第3节 电能转化为化学能电解 第1课时 电解的原理 一、电解熔融氯化钠实验 1.实验现象:通电后,在石墨电极周围有_产生,在铁电极上生成_ _。必备知识素养奠基 气泡 银白色 金属 2.实验分析(1)通电前:熔融氯化钠中存在的微粒是_、_,离子做无规则自由运动。(2)通电后离子的运动方向:a.阳离子Na+移向_;b.阴离子Cl-移向_。Na+Cl-与电源负极相连的铁电极 与电源正极相连的石墨电极(3)电极上发生的反应:铁电极:_,石墨电极:_。3.实验结论:熔融的氯化钠在电流作用下发生了_,分解生成了_ _。2Na+2e-=2Na 2Cl-2e-=Cl2 化学变化 钠和 氯气 4.电解【巧判断
2、】(1)熔融的NaCl中,Na+、Cl-处于自由运动状态。()提示:。NaCl属于离子化合物,熔融状态离子键被破坏,Na+、Cl-成为可自由移动的离子。(2)电解熔融NaCl的装置中,Na+向阳极移动、Cl-向阴极移动。()提示:。在电解装置中,阳极带正电,阴极带负电,熔融NaCl中的阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。(3)电解是把电能转变成化学能。()提示:。从能量角度看,电解是把电能转变成化学能的过程。(4)电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化。()提示:。电解质溶液的导电过程,必将伴随着两个电极上氧化还原反应的发生,同时生成新的物质,属于化学变化,而金属导电是金属中自由电子的定向移
3、动,没有生成新物质,属于物理变化。二、电解池及其工作原理 1.电解池(1)概念:将_能转化为_能的装置。(2)构成条件 化学 电 2.工作原理(1)工作原理(2)电极的判断与电极反应 电极名称阳极阴极与电源电极的连接_得失电子_反应类型_电极反应式(举例)2Cl-2e-=Cl2Na+e-=Na正极 负极 失去电子 得到电子 氧化反应 还原反应【巧判断】(1)电解池的阳极与电源的负极相连。()提示:。电解池的阳极与外接电源的正极相连。(2)原电池中阳离子向正极移动,电解池中阳离子向阴极移动。()提示:。在原电池中阳离子向原电池的正极移动,阴离子向负极移动;而在电解池中阳离子移向的是阴极,而阴离子
4、移向阳极。(3)原电池放电和电解池充电互为可逆反应。()提示:。可逆反应要求在相同条件下同时进行。(4)原电池的负极和电解池的阳极都发生氧化反应。()提示:。原电池的负极和电解池的阳极均发生的是失电子的氧化反应。【微思考】某同学将电解池工作时电子、离子流动方向及电极种类等信息表示在图中。请你分析电极a、b、c、d的名称以及Q离子是阴离子还是阳离子?提示:根据题图知,该装置有外接电源,所以属于电解池,根据电子流向知,c是负极,d是正极,a是阴极,b是阳极,电解时,电解质溶液中阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,则Q离子是阳离子,P离子是阴离子。关键能力素养形成 知识点一 电解原理【重点释疑】1.
5、电解池的阴、阳极的判断方法 2.电解时放电顺序和电极产物的判断(1)基本思路(2)离子放电顺序 阴离子的放电顺序:阳离子放电顺序:【规律方法】“五步法”书写电解的电极反应式 步骤内容判判断阴、阳极看阳极要看清电极材料。对于铁、铝、铜、银等活泼电极,则阳极金属电极失电子变成阳离子进入溶液,阴离子不失电子;如果是惰性电极(Pt、Au、石墨等)材料,应是溶液中的阴离子失电子分将离子分成阳离子组、阴离子组(注意:水溶液中一定不要丢掉H+、OH-),阳离子向阴极移动,在阴极得电子;阴离子向阳极移动,在阳极失电子。然后再根据得失电子能力的大小对离子进行排序写由放电顺序及信息确定放电产物和电极反应平依据质量
6、守恒、电荷守恒进行配平【思考讨论】(1)电解池中,阴、阳两极的材料与电解产物有关系吗?提示:阳极产物与阳极材料有关,阴极产物与阴极材料无关。(2)用惰性电极电解CuSO4与NaCl的混合溶液,首先在阴、阳两极产生什么物质?提示:阳极产生Cl2;阴极产生Cu。【案例示范】【典例】(2018全国卷)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示,其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为 EDTA-Fe2+-e-=EDTA-Fe3+2EDTA-Fe3+H2S=2H+S+2EDTA-Fe2+该装置工作时
7、,下列叙述错误的是()A.阴极的电极反应:CO2+2H+2e-=CO+H2O B.协同转化总反应:CO2+H2S=CO+H2O+S C.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低 D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性【解题指南】解答本题时应注意以下3点:(1)注意提取题目给出的信息,并读懂图示。(2)注意应用物理学科的电学知识。(3)Fe3+/Fe2+只能存在于酸性溶液中。【解析】选C。根据图中的物质转化方式可知,该电解池的左侧电极上发生还原反应为阴极,右侧电极上发生氧化反应为阳极,故该电池的阴极的电极反应式为CO2+2H+2e-=CO+H2O,A正确;
8、将电解池阴、阳极电极的反应式相加即可得到协同转化的总反应式:CO2+H2S=CO+H2O+S,B正确;由于石墨烯为阳极,与电源的正极相连,石墨烯上的电势高,C不正确;若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,若溶液呈碱性,则会使溶液中形成沉淀,减少Fe3+/Fe2+的含量,故溶液应呈酸性。【母题追问】(1)若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,写出石墨烯电极区发生的反应。提示:Fe2+-e-=Fe3+,2Fe3+H2S=2H+S+2Fe2+(2)处理完成后,阳极的EDTA-Fe3+、EDTA-Fe2+的浓度是否发生改变?提示:不变,根据给
9、出的石墨烯电极区的反应可以得出EDTA-Fe3+、EDTA-Fe2+并没有被消耗。【迁移应用】1.(2020泰安高二检测)现用Pt作电极电解1 L浓度均为0.1 molL-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,不参与电极反应 24SO【解析】选D。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
10、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,不参与电极反应。24SO 2.(2020怀化高二检测)如图是电解氯化铜溶液的装置,其中c、d为石墨电极,则下列有关判断正确的是()A.a为负极,b为正极 B.a为阳极,b为阴极 C.电解过程中,d电极质量增加 D.电解过程中,氯离子浓度不变【解析】选C。由图示电流方向可知,a是电源正极,b是电源负极;则c是电解池的阳极,电极反应为2Cl-2e-=Cl2,溶液中氯离子不断
11、减少;d是电解池的阴极,电极反应为Cu2+2e-=Cu,d电极质量不断增加。【补偿训练】(2020衡水高二检测)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【解析】选B。由题意可知,M极溶解,发生氧化反应,为阳极;N极质量增加,有金属单质在N极上析出,发生还原反应,为阴极;电解质溶液为盐溶液,M为金属电极。【素养提升】电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法,即保持污水的pH为5.06.0,通过电化学法生成Fe(OH)3胶体,Fe(OH
12、)3胶体具有吸附作用,可吸附水中的污物而使其沉淀下来,起到净水的作用。某兴趣小组同学在实验室中进行模拟,设计了如图装置。(1)判断甲、乙装置的名称。(宏观辨识与微观探析)提示:甲池为电解池、乙池为原电池。由于乙池中通入的是甲烷和空气,因此为燃料电池,故甲为电解池。(2)写出乙池中的电极反应式。(变化观念与平衡思想)提示:乙池为燃料电池,燃料电池中,正极反应一定是氧气得电子的过程,该电 池的电解质环境是熔融碳酸盐,电极反应为O2+2CO2+4e-=2 ,通入甲烷 的电极作负极,电极反应式为CH4+4 -8e-=5CO2+2H2O。23CO 23CO(3)在实验过程中观察到甲池中的两个电极上均有无
13、色气泡产生,同时在铁电极附近产生红褐色的胶状物。据此分析甲池中产生Fe(OH)3胶体的原理。(证据推理与模型认知)提示:活泼金属电极作电解池的阳极时,则电极本身放电:Fe-2e-=Fe2+;有气体生成说明产生了氧气,电极反应式为4OH-4e-=2H2O+O2,而二价铁离子具有还原性,能被氧气氧化为正三价,4Fe2+10H2O+O2=4Fe(OH)3+8H+。(4)实验时污水中离子浓度较小,导电能力较差,产生气泡速率缓慢,导致效率较低。为了增强污水的导电能力,可以向污水中加入适量实验室中的下列哪种物质?(科学探究与创新意识)稀硫酸 BaSO4 Na2SO4 NaOH 酒精 提示:应加入。保持污水
14、的pH为5.06.0,通过电解生成Fe(OH)3沉淀时,加入的使导电能力增强的电解质必须是可溶于水的、显中性的盐。知识点二 用惰性电极电解电解质稀溶液的规律【重点释疑】类型电极反应特点例子实际电解对象电解质浓度溶液 pH电解质溶液复原电解 电解 质型电解质的离子放电HClHCl减少增大加HClCuCl2CuCl2减少加CuCl2电解 水型阳极OH-放电,阴极H+放电NaOHH2O增大增大加H2OH2SO4H2O增大减小加H2ONa2SO4,KNO3H2O增大不变加H2O类型电极反应特点例子实际电解对象电解质浓度溶液 pH电解质溶液复原放出 氢气 生成 碱型阴极 H+放 电NaCl电解质 和水部
15、分离子 浓度减少增大加HClKBr加HBr放出 氧气 生成 酸型阳极 OH-放电AgNO3电解质 和水部分离 子浓度 减少减小加Ag2OCuSO4加CuO【易错提醒】对于电解水型的电解池,阳极OH-放电,剩余H+,故阳极附近溶液中c(H+)大于c(OH-),溶液显酸性;阴极H+放电,剩余OH-,故阴极附近溶液中c(OH-)大于c(H+),溶液显碱性。因此,一般阳极OH-放电产生O2时,阳极附近溶液显酸性,阴极H+放电产生H2时,阴极附近溶液显碱性。【思考讨论】用石墨作电极,在Na+、Cu2+、Cl-、四种离子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
16、出H2,阳极放出O2时。提示:阴极有H2生成,阳极有O2生成,实质为电解水,故电解质是活泼金属的含氧酸盐,即Na2SO4。24SO(2)当阴极析出金属,阳极放出O2时。提示:实质为放氧气生酸型,即电解质为不活泼金属的含氧酸盐,即CuSO4。(3)当阴极放出H2,阳极放出Cl2时。提示:实质为放氢气生碱型,即电解质为活泼金属的无氧酸盐,即NaCl。(4)通过电子的物质的量与阴极析出的金属的物质的量、阳极放出的气体的物质的量之比为421时。提示:由阳极生成气体和转移电子的物质的量之比为14,可知阳极产生气体为O2,1 mol O2转移4 mol e-,金属与电子的物质的量之比为12,故金属为+2价
17、,即Cu2+,即为CuSO4。【案例示范】【典例】(2019北京高考节选)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。(1)制H2时,连接 。产生H2的电极反应式是 。(2)改变开关连接方式,可得O2。(3)结合和中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:。【解题指南】解答本题时应注意以下几点:(1)注意看清装置中电源的正负极。(2)注意阴阳离子的放电顺序。(3)明确电极3的反应。【解析】(1)电极生成H2时,根据电极放电规律可知H+得到电子变为氢气,因而电极须连接负极,因而制取H2时,连接K1,该电池在碱性溶液中,由H2O提供H+,电极
18、反应式为2H2O+2e-=H2+2OH-。(3)制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH-e-=NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用。答案:(1)K1 2H2O+2e-=H2+2OH-(3)制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH-e-=NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用【迁移应用】1.(2020滁州高二检测)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:溶液中几乎没有Br-;电解质 溶液为无色;最终溶液显碱性;K+、Na+和 的浓度几乎没有变化。其中
19、 正确的是(设Cl2、Br2全部从溶液中逸出)()A.B.C.D.24SO【解析】选A。溶液中存在的阴离子有:Cl-、Br-、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-,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+来自水中),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-放电时,水电离出的H+放电,使溶液中的c(OH-)增大;由于 水被消耗,c(K+)、c
20、(Na+)和c()会增大。24SO 24SO 24SO 2.(2020大庆高二检测)如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电 后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列实验现象中正确的是 ()A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的 B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体 C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色 D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色【解析】选D。a、b电极分别为电解池的阴极和阳极,其电极反应分别是4H+4e-=2H2和4OH-4e-=O2+2H2O;即a极逸出的气体体积比b极大。a极和b极溶液分别显碱性和酸性,故可以看到a电极附近呈蓝色,b电极附近
21、呈红色。【补偿训练】(2020南阳高二检测)用铂作电极电解下列溶液时,在阳极上有气体放出,且溶液的pH减小的是()A.KNO3溶液 B.CuSO4溶液 C.NaOH溶液 D.HCl溶液【解析】选B。由阴阳离子的放电顺序可知电解KNO3、NaOH溶液的实质都是电 解水,电解质溶液的浓度均增大,KNO3溶液pH不变,NaOH溶液的pH增大;电解HCl 溶液,阴极反应为2H+2e-=H2,阳极反应为2Cl-2e-=Cl2,电解的是 HCl,电解质溶液的浓度降低,pH增大;电解CuSO4溶液,阴极反应为2Cu2+4e-=2Cu,阳极反应为4OH-4e-O2+2H2O,总反应是2CuSO4+2H2O 2
22、Cu+2H2SO4+O2,pH减小。通电=通电=【课堂回眸】课堂检测素养达标 1.(2020衡阳高二检测)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【解析】选A。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。2.(2020宜春高二检测)用石墨作电极电解氯化铜溶液,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【解析】选B。根据电解原理,阳极发生氧化反应:2Cl-2e-=C
23、l2,阳极上放出有刺激性气味的氯气;阴极发生还原反应:Cu2+2e-=Cu。3.在元旦晚会上,某同学表演了化学魔术“黑笔写红字”,如图是他设计的实验装置。滤纸先用硫酸钠、无色酚酞的混合液浸湿,然后平铺在一块铂片上,接通电源后,用铅笔在滤纸上写“元旦快乐”,会出现红色字迹。据此,下列叙述正确的是 世纪金榜导学号()A.铅笔端作阴极,铂片端发生还原反应 B.铅笔端有少量钠生成 C.硫酸钠溶液不可以用硝酸钾溶液替代 D.铂片端发生电极反应:4OH-4e-=2H2O+O2【解析】选D。根据图示知,铅笔端为阴极,铂片端为阳极。在硫酸钠溶液中存 在电离反应式:Na2SO4=2Na+,H2O H+OH-,在
24、阳极(铂片端):失电子 能力:OH-,电极反应式:4OH-4e-=2H2O+O2;阴极(铅笔端),得电子能 力:H+Na+,电极反应式:4H+4e-=2H2,铅笔端OH-浓度增大,呈碱性,使含酚 酞的滤纸变红色。此反应实质是电解水,硫酸钠起导电作用,可以用硝酸钠、硝酸钾代替。24SO 24SO 4.(教材改编题)关于下图所示两个装置的叙述正确的是()A.装置名称:是原电池,是电解池 B.硫酸浓度变化:增大,减小 C.电极反应式:中阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,中正极:Zn-2e-=Zn2+D.离子移动方向:中H+向阴极方向移动,中H+向负极方向移动【解析】选B。为电解池,电解水,阳极反
25、应式为4OH-4e-=2H2O+O2,硫酸的浓度增大;为原电池,溶液中的氢离子移向正极,正极反应式为2H+2e-=H2,硫酸的浓度减小。5.(2020长春高二检测)用惰性电极电解稀硫酸、Cu(NO3)2、NaCl的混合液,最初一段时间阴极和阳极上析出的物质分别是()A.H2和Cl2 B.Cu和Cl2 C.H2和O2 D.Cu和O2【解析】选B。由题意知,溶液中存在H+、Cu2+、Na+、Cl-、OH-,根据离子的放电顺序,阳离子为Cu2+H+Na+,阴离子为Cl-OH-、,则 最初一段时间,阴极:Cu2+2e-=Cu,阳极:2Cl-2e-=Cl2。3NO24SO 24SO 3NO6.(新思维新
26、考向)碘被称为“智力元素”,科学合理地补充碘可防止碘缺乏病。碘酸钾(KIO3)是国家规定的食盐加碘剂,它的晶体为白色,可溶于水。碘酸钾在酸性介质中与过氧化氢或碘化物作用均生成单质碘。以碘为原料,通过电解制备碘酸钾的实验装置如图所示。世纪金榜导学号 电解前,先将一定量的精制碘溶于过量氢氧化钾溶液,溶解时发生反应:3I2+6KOH=5KI+KIO3+3H2O。将该溶液加入某区,另将氢氧化钾溶液加入另一区,电解槽用水冷却,然后通电电解。(1)写出电解过程中制备KIO3的电极反应式。提示:I-+6OH-6e-=+3H2O。因为溶液中存在的是I-,因此I-在阳极参加 反应。3IO(2)氢氧化钾溶液加入的是哪一区,阴极区还是阳极区?提示:阴极区。因为制备 是利用了I-失电子被氧化生成,即碘与氢氧化钾反 应后的溶液加入阳极区,而KOH溶液加入阴极区。(3)电极材料能否选用铁棒或铜棒?为什么?提示:否。因为铁或铜均属于活泼电极,在电解过程中会在阳极上放电,从而影 响 的生成。3IO3IO(4)装置中的3为离子交换膜,你认为应选择阳离子交换膜还是阴离子交换膜?提示:阴离子交换膜。因为阳极区的电极反应为I-+6OH-6e-=+3H2O,阴 极区的电极反应为2H+2e-=H2,产生OH-,应选用阴离子交换膜。3IO