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第 2 节 电能转化为化学能电解一、电解原理一、电解原理1.1.电解电解: :使电流通过电解质溶液使电流通过电解质溶液( (或熔融的电解质或熔融的电解质) )而在阴、而在阴、阳两极引起阳两极引起_的过程。的过程。2.2.电解池电解池( (也叫电解槽也叫电解槽) )电解池是把电解池是把_的装置。的装置。氧化还原反应氧化还原反应电能转变为化学能电能转变为化学能3.3.电解池的组成和工作原理电解池的组成和工作原理( (电解电解CuClCuCl2 2溶液溶液) )总反应方程式总反应方程式:_:_阴极阴极阳极阳极还原反应还原反应氧化反应氧化反应CuCu2+2+2e+2e- -=Cu=Cu2Cl2Cl- -2e-2e- -=Cl=Cl2 2CuCu2+2+2Cl+2Cl- - Cu+Cl Cu+Cl2 2通电通电=二、电解原理的应用二、电解原理的应用1.1.电解饱和食盐水电解饱和食盐水阳极阳极:_:_阴极阴极:_:_总反应总反应:_:_2Cl2Cl- -2e-2e- -=Cl=Cl2 22H2H+ +2e+2e- -=H=H2 22NaCl+2H2NaCl+2H2 2O 2NaOH+HO 2NaOH+H2 2+Cl+Cl2 2通电通电=2.2.电镀与电解精炼铜电镀与电解精炼铜电镀电镀(Fe(Fe上镀上镀Cu)Cu)电解精炼铜电解精炼铜阳阳极极电极电极材料材料_(_(含含ZnZn、FeFe、NiNi、AgAg、AuAu等杂质等杂质) )电极电极反应反应_Zn-2eZn-2e- -=Zn=Zn2+2+Fe-2eFe-2e- -=Fe=Fe2+2+Ni-2eNi-2e- -=Ni=Ni2+2+铜铜粗铜粗铜Cu-2eCu-2e- -=Cu=Cu2+2+Cu-2eCu-2e- -=Cu=Cu2+2+电镀电镀(Fe(Fe上镀上镀Cu)Cu)电解精炼铜电解精炼铜阴阴极极电极电极材料材料_电极电极反应反应_电解质溶电解质溶液液_注注: :电解精炼铜时电解精炼铜时, ,粗铜中的粗铜中的AgAg、AuAu等不反应等不反应, ,沉在电解池底沉在电解池底部形成阳极泥。部形成阳极泥。铁铁纯铜纯铜CuCu2+2+2e+2e- -=Cu=CuCuSOCuSO4 4溶液溶液【思考辨析【思考辨析】1.1.用铜作阳极、石墨作阴极电解用铜作阳极、石墨作阴极电解CuClCuCl2 2溶液时溶液时, ,阳极电极反应式阳极电极反应式为为2Cl2Cl- -2e-2e- -=Cl=Cl2 2。( )( )【分析【分析】活性金属作阳极时活性金属作阳极时, ,金属首先失电子被氧化金属首先失电子被氧化, ,故阳极反故阳极反应为应为:Cu-2e:Cu-2e- -=Cu=Cu2+2+。2.Cu+H2.Cu+H2 2SOSO4 4=CuSO=CuSO4 4+H+H2 2可以设计成电解池可以设计成电解池, ,但不能设计成原但不能设计成原电池。电池。( )( )【分析【分析】能设计成原电池的反应是一个自发的氧化还原反应能设计成原电池的反应是一个自发的氧化还原反应, ,而电解池可以是一个非自发的氧化还原反应。而电解池可以是一个非自发的氧化还原反应。3.3.电解饱和食盐水时电解饱和食盐水时, ,两个电极均不能用金属材料。两个电极均不能用金属材料。( )( )【分析【分析】电解池中阳极发生氧化反应电解池中阳极发生氧化反应, ,电解食盐水时电解食盐水时, ,阳极不能阳极不能用金属电极用金属电极, ,但阴极发生还原反应但阴极发生还原反应, ,故阴极可以用金属电极。故阴极可以用金属电极。4.4.根据得失电子守恒可知电解精炼铜时根据得失电子守恒可知电解精炼铜时, ,阳极减少的质量和阴阳极减少的质量和阴极增加的质量相等。极增加的质量相等。( )( )【分析【分析】电解精炼铜时电解精炼铜时, ,阴极析出的只有阴极析出的只有Cu,Cu,而阳极减少的有活而阳极减少的有活泼的泼的ZnZn、FeFe、NiNi等形成阳离子存在于溶液中等形成阳离子存在于溶液中, ,不活泼的不活泼的AgAg、AuAu等形成阳极泥沉在底部等形成阳极泥沉在底部, ,故两极的质量变化不相等。故两极的质量变化不相等。考点考点 1 1 电极反应式、电解总方程式的电极反应式、电解总方程式的书写书写 1.1.电极反应式的书写电极反应式的书写(1)(1)判断电解池的阴、阳极判断电解池的阴、阳极: :根据外接电源的正负极判断根据外接电源的正负极判断: :正极连接阳极正极连接阳极; ;负极连接阴极。负极连接阴极。根据电流方向判断根据电流方向判断: :电流从正极流向阳极电流从正极流向阳极, ,从阴极流入负极。从阴极流入负极。根据离子流向判断根据离子流向判断: :阴离子移向阳极阴离子移向阳极, ,阳离子移向阴极。阳离子移向阴极。根据电极产物判断根据电极产物判断: :电极溶解、逸出电极溶解、逸出O O2 2( (或极区变酸性或极区变酸性) )或或ClCl2 2阳极阳极; ;析出金属、逸析出金属、逸出出H H2 2( (或极区变碱性或极区变碱性)阴极。阴极。(2)(2)分析电极产物分析电极产物: :首先明确阳极材料和溶液中存在的所有离子首先明确阳极材料和溶液中存在的所有离子, ,然后根据如下规律分析判断然后根据如下规律分析判断: :(3)(3)书写电极反应式书写电极反应式: :注意电解质溶液的环境。若电解质溶液中的离子与电极产物注意电解质溶液的环境。若电解质溶液中的离子与电极产物发生反应发生反应, ,一般也要把该离子写进电极反应式。一般也要把该离子写进电极反应式。注意质量守恒、电子守恒和电荷守恒。注意质量守恒、电子守恒和电荷守恒。2.2.电解总方程式的书写电解总方程式的书写(1)(1)必须在连接号上标明通电或电解。必须在连接号上标明通电或电解。(2)(2)只是电解质被电解只是电解质被电解, ,电解化学方程式中只写电解质及电解产电解化学方程式中只写电解质及电解产物。如电解物。如电解CuClCuCl2 2溶液溶液:CuCl:CuCl2 2 Cu+Cl Cu+Cl2 2。 电解电解=(3)(3)只有水被电解只有水被电解, ,只写水及电解产物即可。如电解稀硫酸、电只写水及电解产物即可。如电解稀硫酸、电解解NaOHNaOH溶液、电解溶液、电解NaNa2 2SOSO4 4溶液时溶液时, ,化学方程式化学方程式应写为应写为2H2H2 2O 2HO 2H2 2+O+O2 2。(4)(4)电解质、水同时被电解电解质、水同时被电解, ,则都要写进化学方程式。如电解饱则都要写进化学方程式。如电解饱和食盐水和食盐水:2NaCl+2H:2NaCl+2H2 2O HO H2 2+Cl+Cl2 2+2NaOH+2NaOH。通电通电=通电通电=【高考警示【高考警示】(1)(1)判断电解产物、书写电极反应式以及分析电解质溶液的变判断电解产物、书写电极反应式以及分析电解质溶液的变化时首先要注意阳极是活性材料还是惰性材料。化时首先要注意阳极是活性材料还是惰性材料。(2)(2)书写电解化学方程式时书写电解化学方程式时, ,应看清电解的是水溶液还是熔融电应看清电解的是水溶液还是熔融电解质。解质。【典例【典例1 1】(2012(2012浙江高考浙江高考) )以铬酸钾为原料以铬酸钾为原料, ,电化学法制备重电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如下铬酸钾的实验装置示意图如下: :下列说法不正确的是下列说法不正确的是( () )A.A.在阴极室在阴极室, ,发生的电极反应为发生的电极反应为2H2H2 2O+2eO+2e- -=2OH=2OH- -+H+H2 2B.B.在阳极室在阳极室, ,通电后溶液逐渐由黄色变为橙色通电后溶液逐渐由黄色变为橙色, ,是因为阳极区是因为阳极区H H+ +浓度增大浓度增大, ,使平衡使平衡 向右移动向右移动C.C.该制备过程总反应的化学方程式为该制备过程总反应的化学方程式为4K4K2 2CrOCrO4 4+4H+4H2 2O 2KO 2K2 2CrCr2 2O O7 7+4KOH+2H+4KOH+2H2 2+O+O2 2D.D.测定阳极液中测定阳极液中K K和和CrCr的含量的含量, ,若若K K与与CrCr的物质的量之比的物质的量之比(n(nK K/n/nCrCr) )为为d,d,则此时铬酸钾的转化率为则此时铬酸钾的转化率为1-1- 2242722CrO2HCr OH O通电通电=d2【解题指南【解题指南】解答本题时应注意以下两点解答本题时应注意以下两点: :(1)(1)看清阴阳极的电极材料。看清阴阳极的电极材料。(2)(2)阴阳极上放电的离子分析。阴阳极上放电的离子分析。【解析【解析】选选D D。由反应的装置分析。由反应的装置分析, ,惰性电极为阳极惰性电极为阳极, ,则电解该则电解该溶液的实质是电解水溶液的实质是电解水, ,所以阳极是溶液中的氢氧根离子失电子所以阳极是溶液中的氢氧根离子失电子, ,而阴极是氢离子得电子而阴极是氢离子得电子, ,故在阴极发生的电极反应为故在阴极发生的电极反应为2H2H2 2O+2eO+2e- -=2OH=2OH- -+H+H2 2,A,A对对; ;由于阳极氢氧根离子放电所以剩余大量的由于阳极氢氧根离子放电所以剩余大量的氢离子氢离子, ,会使氢离子的浓度变大会使氢离子的浓度变大, ,故使平衡故使平衡 向右移动向右移动,B,B对对; ;根据阴、阳极放电的离子可以得根据阴、阳极放电的离子可以得242CrO2H2272Cr OH O知总反应式为知总反应式为4K4K2 2CrOCrO4 4+4H+4H2 2O 2KO 2K2 2CrCr2 2O O7 7+4KOH+2H+4KOH+2H2 2+O+O2 2,C C对对; ;假设反应后阳极区的假设反应后阳极区的K K的物质的量为的物质的量为d,d,则则CrCr的物质的量为的物质的量为1 1。设。设 的转化量是的转化量是x,x,则消耗的则消耗的H H+ +的物质的量为的物质的量为x,x,则进入则进入阴极区的阴极区的K K+ +的物质的量为的物质的量为x,x,由此可知由此可知K K+ +的总物质的量为的总物质的量为d+xd+x。n(Kn(K2 2CrOCrO4 4)=1/2n(K)=1/2n(K+ +)=n(Cr)=n(Cr),),所以所以1/2(d+x)=1,x=2-d,1/2(d+x)=1,x=2-d,的转化率为的转化率为x/1=2-d,x/1=2-d,所以所以D D项错。项错。通电通电=24CrO24CrO【互动探究【互动探究】(1)(1)你能写出阳极的电极反应式吗你能写出阳极的电极反应式吗? ?(2)(2)测定阳极液中测定阳极液中K K和和CrCr的含量的含量, ,若若K K与与CrCr的物质的量之比的物质的量之比(n(nK K/n/nCrCr) )为为d,d,你能计算出电能的利用效率吗你能计算出电能的利用效率吗? ?提示提示: : (1)2H (1)2H2 2O-4eO-4e- -=4H=4H+ +O+O2 2(2)(2)通过对原题的计算知通过对原题的计算知, , 的转化率为的转化率为2-d,2-d,则则H H+ +的转化率的转化率也为也为2-d,2-d,每转移每转移1 mol1 mol电子电子, ,产生产生1 mol H1 mol H+ +, ,则用于则用于 的转的转化的化的H H+ +为为(2-d)mol,(2-d)mol,故电能的利用效率也为故电能的利用效率也为2-d2-d。24CrO24CrO考点考点 2 2 电解的电解的“四大类型四大类型”及相关计算及相关计算 1.1.惰性电极电解的惰性电极电解的“四大类型四大类型”类型一电解水型类型一电解水型实例实例电极反应特点电极反应特点电解质电解质浓度浓度pHpH电解质电解质溶液复原溶液复原NaOHNaOH阴极阴极:4H:4H+ +4e+4e- -=2H=2H2 2阳极阳极:4OH:4OH- -4e-4e- -=2H=2H2 2O+OO+O2 2增大增大增大增大加水加水H H2 2SOSO4 4增大增大减小减小加水加水NaNa2 2SOSO4 4增大增大不变不变加水加水类型二电解电解质型类型二电解电解质型实例实例电极反应特点电极反应特点电解质电解质浓度浓度pHpH电解质溶电解质溶液复原液复原HClHCl电解质电离出的阴、阳电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电离子分别在两极放电减小减小增大增大通氯化氢通氯化氢CuClCuCl2 2减小减小加氯化铜加氯化铜类型三放类型三放H H2 2生碱型生碱型实例实例电极反应特点电极反应特点电解质电解质浓度浓度pHpH电解质溶电解质溶液复原液复原NaClNaCl阴极阴极:H:H2 2O O放放H H2 2生成碱生成碱阳极阳极: :电解质阴离子放电电解质阴离子放电生成新生成新电解质电解质增大增大通氯化氢通氯化氢类型四放类型四放O O2 2生酸型生酸型实例实例电极反应特点电极反应特点电解质电解质浓度浓度pHpH电解质溶液电解质溶液复原复原CuSOCuSO4 4阴极阴极: :电解质阳离子电解质阳离子放电放电阳极阳极:H:H2 2O O放放O O2 2生成酸生成酸生成新生成新电解质电解质减小减小加氧化铜加氧化铜2.2.电解池中有关量的计算或判断电解池中有关量的计算或判断解题依据是电子守恒解题依据是电子守恒, ,具体解法有守恒法、总反应式法和关系具体解法有守恒法、总反应式法和关系式法式法: :【高考警示【高考警示】(1)(1)电解后要恢复原电解质溶液的浓度电解后要恢复原电解质溶液的浓度, ,可以按可以按:“:“析出什么析出什么, ,加加上什么上什么”的思路。加上适量某物质的思路。加上适量某物质, ,该物质可以是阴极与阳极该物质可以是阴极与阳极产物的化合物。如用惰性电极电解产物的化合物。如用惰性电极电解CuSOCuSO4 4溶液时溶液时, ,若要恢复原溶若要恢复原溶液液, ,可加入可加入CuOCuO、CuCOCuCO3 3, ,而不是而不是Cu(OH)Cu(OH)2 2、CuCu2 2(OH)(OH)2 2COCO3 3。(2)Fe(2)Fe3+3+的放电能力大于的放电能力大于CuCu2+2+, ,其第一阶段放电反应为其第一阶段放电反应为FeFe3+3+e+e- -=Fe=Fe2+2+, ,而不是而不是FeFe3+3+3e+3e- -=Fe=Fe。【典例【典例2 2】 (2014(2014福州模拟福州模拟) )如图所示装置中如图所示装置中, ,甲、乙、丙烧甲、乙、丙烧杯依次盛放杯依次盛放100 g 5.00%100 g 5.00%的的NaOHNaOH溶液、足量的溶液、足量的CuSOCuSO4 4溶液和溶液和100 g 10.00%100 g 10.00%的的K K2 2SOSO4 4溶液溶液, ,电极均为石墨电极。电极均为石墨电极。接通电源接通电源, ,经过一段时间后经过一段时间后, ,测得丙中测得丙中K K2 2SOSO4 4溶液为溶液为10.47%,10.47%,乙中乙中c c电极质量增加。据此回答问题电极质量增加。据此回答问题: :(1)(1)电源的电源的N N端为端为极极; ;(2)(2)电极电极b b上发生的电极反应为上发生的电极反应为; ;(3)(3)列式计算电极列式计算电极b b上生成的气体在标准状况下的体积上生成的气体在标准状况下的体积: : ; ;(4)(4)电极电极c c的质量变化是的质量变化是g;g;(5)(5)电解前后各溶液的酸碱性大小是否发生变化电解前后各溶液的酸碱性大小是否发生变化, ,简述其原因简述其原因: :甲溶液甲溶液; ;乙溶液乙溶液; ;丙溶液丙溶液。【解题指南【解题指南】解答本题时要明确解答本题时要明确: :(1)(1)判断各电极的类型是关键判断各电极的类型是关键, ,可由可由“乙中乙中c c电极质量增加电极质量增加”判判断断; ;(2)(2)转移电子数的判断可由转移电子数的判断可由K K2 2SOSO4 4溶液浓度的增加来计算溶液浓度的增加来计算, ,浓度的浓度的增加是因为增加是因为H H2 2O O的减少。的减少。【解析【解析】(1)(1)因为乙中的因为乙中的c c极质量增加极质量增加, ,故故c c为阴极为阴极,M,M为电源的为电源的负极负极,N,N为正极为正极;(2)b;(2)b为阳极为阳极, ,反应式为反应式为4OH4OH- -4e-4e- -=2H=2H2 2O+O+O O2 2;(3);(3)设丙中电解水的质量为设丙中电解水的质量为x,x,由电解前后溶质质量相等由电解前后溶质质量相等有有:100 g:100 g10.00%=(100 g-x)10.00%=(100 g-x)10.47%,10.47%,得得x=4.5 g,x=4.5 g,为为0.25 mol,0.25 mol,转移转移0.5 mol0.5 mol电子电子, ,而整个电路是串联的而整个电路是串联的, ,故每个烧故每个烧杯中的电极上转移电子数均为杯中的电极上转移电子数均为0.5 mol,0.5 mol,则生成则生成O O2 2为为0.5/40.5/4=0.125(mol),=0.125(mol),标准状况下体积为标准状况下体积为0.1250.12522.4=2.8(L);22.4=2.8(L);(4)Cu(4)Cu2+2+2e+2e- -=Cu,=Cu,转移转移0.5 mol0.5 mol电子电子, ,则生成的则生成的m(Cum(Cu)=0.5/2)=0.5/264 =16(g)64 =16(g)。答案答案: :(1)(1)正正(2)4OH(2)4OH- -4e-4e- -=2H=2H2 2O+OO+O2 2(3)(3)水减少的质量水减少的质量:100 g:100 g(1- )=4.5 g(1- )=4.5 g生成生成O O2 2的体积的体积: : 22.4 L22.4 Lmolmol-1-1=2.8 L=2.8 L(4)16(4)16(5)(5)碱性增大碱性增大, ,因为电解后因为电解后, ,水量减少水量减少, ,溶液中溶液中NaOHNaOH浓度增大浓度增大酸性增大酸性增大, ,因为阳极上因为阳极上OHOH- -失电子生成失电子生成O O2 2, ,溶液中溶液中H H+ +浓度增加浓度增加酸碱性大小没有变化酸碱性大小没有变化, ,因为因为K K2 2SOSO4 4是强酸强碱盐是强酸强碱盐, ,浓度增加不影浓度增加不影响溶液的酸碱性响溶液的酸碱性10.00%10.47%14.5 g118 g mol2【互动探究】【互动探究】(1)(1)甲和丙中生成的气体的种类和体积相等吗甲和丙中生成的气体的种类和体积相等吗? ?提示提示: :甲和丙中实质都是电解水甲和丙中实质都是电解水, ,两池通过的电子数相等两池通过的电子数相等, ,故生故生成气体的种类和体积都相等。成气体的种类和体积都相等。(2)(2)如果电解过程中铜全部析出如果电解过程中铜全部析出, ,此时电解能否继续进行此时电解能否继续进行, ,为为什么什么? ?提示提示: :铜全部析出铜全部析出, ,还可以电解水还可以电解水, ,故电解可以继续进行。故电解可以继续进行。【变式训练【变式训练】(2013(2013榆林模拟榆林模拟) )用惰性电极电解一定量的硫用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液酸铜溶液, ,实验装置如图甲。电解过程中的实验数据如图乙实验装置如图甲。电解过程中的实验数据如图乙, ,横坐标表示电解过程中转移电子的物质的量横坐标表示电解过程中转移电子的物质的量, ,纵坐标表示电纵坐标表示电解过程中产生气体的总体积解过程中产生气体的总体积( (标准状况标准状况) )。则下列说法不正确。则下列说法不正确的是的是( () )A.A.电解过程中电解过程中,a,a电极表面先有红色物质析出电极表面先有红色物质析出, ,后有气泡产生后有气泡产生B.bB.b电极上发生的反应方程式为电极上发生的反应方程式为4OH4OH- -4e-4e- -=2H=2H2 2O+OO+O2 2C.C.曲线曲线0 0P P段表示段表示O O2 2的体积变化的体积变化D.QD.Q点时溶液中点时溶液中H H+ +的物质的量为的物质的量为0.4 mol0.4 mol【解析【解析】选选D D。由电流方向可知。由电流方向可知,b,b电极为阳极电极为阳极, ,电解过程中电解过程中,a,a电电极表面先有红色物质析出极表面先有红色物质析出, ,后有气泡产生后有气泡产生;b;b电极上发生的反应电极上发生的反应方程式为方程式为4OH4OH- -4e-4e- -=2H=2H2 2O+OO+O2 2;曲线曲线0 0P P段是阴极产生铜段是阴极产生铜, ,阳阳极产生极产生O O2 2曲线曲线P PQ Q段是阴极产生段是阴极产生H H2 2, ,阳极产生阳极产生O O2 2, ,故故A A、B B、C C正确。正确。0 0P P阶段产生阶段产生1.12 L(1.12 L(标准状况标准状况)O)O2 2, ,转移电子转移电子0.2 mol,0.2 mol,消耗消耗0.2 0.2 mol OHmol OH- -积累积累0.2 mol H0.2 mol H+ +,P,PQ Q段电解水段电解水,n(H,n(H+ +) )不变不变,D,D不正确。不正确。
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