【同步讲义】高中化学（苏教版2019）选修第一册--1.2.3 电解池的工作原理 讲义

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第3课时 电解池的工作原理
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课程标准
课标解读
1．认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。
2．了解电解池的工作原理，认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。
1．从宏观和微观的角度理解电解池中电子的移动、阴阳离子的移动、阴阳两极上的反应及其变化、电流形成的过程和原理。（宏观辨识与微观探析）
2．立对电解过程的系统分析的思维模型，理解电解的规律，会判断电解的产物，会书写电解的电极反应式和总反应式。（证据推理与模型认知）

知识精讲

知识点01 电解池的工作原理
1．电解熔融氯化钠的原理
(1)通电前，熔融NaCl中存在可以自由移动的Na＋、Cl－。
(2)通电后，阴、阳离子发生定向迁移，其中，Na+离子向阴极移动，发生还原反应； Cl－向阳极移动，发生氧化反应。
(3)电极反应和电解反应：
阴极：2Na＋＋2e－===2Na；阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑。
电解反应：2NaCl2Na+Cl2↑
2．电解和电解池
(1) 电解是在直流电作用下，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
(2) 电解池是将电能转化为化学能的装置。
(3)电极名称及反应类型
阴极：与电源负极相连的电极，发生还原反应；
阳极：与电源正极相连的电极，发生氧化反应。
(4)电解池的构成条件
具有与直流电源相连接的两个电极（阴极、阳极），插入电解质溶液或熔融电解质中，形成闭合回路。
【即学即练1】下列关于电解池的叙述中，正确的是(　　)
A．电解池中的闭合回路仅是由电子的定向移动形成的
B．金属导线中，电子从电源的负极流向电解池的阳极，从电解池的阴极流向电源的正极
C．在电解质溶液中，阴离子向阴极移动，阳离子向阳极移动
D．相同时间内，阳离子在阴极上得到的电子数与阴离子在阳极上失去的电子数相等
答案：D

知识点02 电解氯化铜溶液
1．实验探究
（1）实验现象：①溶液颜色变浅；②阴极上有红色物质生成；③阳极附近有刺激性气味的气体产生，能使湿润的淀粉­KI试纸变蓝。
（2）实验结论：电解CuCl2溶液，生成了铜和氯气。
2．实验原理
（1）放电顺序
通电时，在电场的作用下，溶液中的离子做定向移动，Cu2＋、H＋向阴极移动，Cl－、OH－向a阳极移动。
在阴极，Cu2+优于H+在电极上发生反应，在阳极，Cl-优于OH-在电极上发生反应。
（2）反应原理
电极名称
阴极
阳极
反应类型
还原反应
氧化反应
电极反应式
Cu2＋＋2e－===Cu
2Cl－－2e－===Cl2↑
电解反应
CuCl2Cu＋Cl2↑
【即学即练2】有下列两组离子：①Cu2＋、Na＋、H＋、Ag＋；②Cl－、I－、SO、OH－。用惰性电极电解时，移向阳极的是_____(填序号)，放电先后顺序是___________________；移向阴极的是____(填序号)，放电先后顺序是____________________。
答案：② I－>Cl－>OH－>SO ① Ag＋>Cu2＋>H＋>Na＋

能力拓展

考法01 电解池的工作原理

（1）与电源正极相连的电极为阳极，阳极发生氧化反应；与电源负极相连的电极为阴极，阴极发生还原反应。
（2）电子流向：负极→阴极、阳极→正极。
（3）离子的移动方向：阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。
【典例1】用惰性电极电解AgNO3溶液，说法不正确的是(　　)
A．电解过程中阴极质量不断增加
B．电解过程中溶液的pH不断降低
C．此时向溶液中加入适量的Ag2O固体可使溶液恢复到电解前的状况
D．电解后两极产生的气体体积比为2∶1
答案：D
解析：解决有关电解问题首先注意电极材料，在此基础上写出电极反应式和电解反应方程式，根据电解反应方程式来分析电解前后的物质变化和溶液浓度变化，分析溶液的pH变化必须注意原溶液的pH情况。用惰性电极电解AgNO3溶液，电解反应方程式为4AgNO3＋2H2O4Ag＋O2↑＋4HNO3。阴极上析出Ag，阳极上放出O2，故A正确、D错误；由于生成HNO3溶液，pH应不断降低，B正确；要使溶液恢复电解前的状况要看加入的物质在溶液中的反应：2Ag2O＋4HNO3===4AgNO3＋2H2O；得到的物质恰好是反应掉的物质，可以使溶液恢复电解前的状况，C正确。

考法02 电解反应的分析方法和放电规律
1．分析电解问题的基本方法思路
（1）通电前：电解质溶液中含有哪些阴、阳离子(包括水电离出的H＋和OH－)。
（2）通电时：阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，结合放电顺序分析谁优先放电(注意活泼金属作阳极时优先放电)。
（3）正确书写电极反应式，要注意原子数、电荷数是否守恒。
（4）能结合题目要求分析电解时的各种变化情况，如两极现象、离子浓度的变化、pH变化等。

2．电极反应规律
（1）阴极：
无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。
阳离子放电顺序：

（2）阳极：
溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化，或者电极材料（电极为活性电极）本身失去电子被氧化而溶入溶液中。
阴离子放电顺序：

3．以惰性电极电解电解质溶液的规律
类型
电解质溶液
电极反应特点
pH
变化
复原加入的物质
电解水型
含氧酸（如H2SO4）
阴极：4H＋＋4e－=2H2↑
阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+
减小
H2O
强碱（如NaOH）
阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-
阳极：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑
增大
H2O
活泼金属的含氧酸盐溶液（如Na2SO4）
阴极：4H2O+4e-=2H2↑+4OH-
阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+
不变
H2O
电解电解质型
无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐溶液（如HCl、CuCl2）
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
增大
电解质
放H2生碱型
活泼金属的无氧酸盐（如NaCl）
阴极：2H2O+2e-=H2↑+2OH-
阳极：电解质阴离子放电
增大
无氧酸
放O2生酸型
不活泼金属的含氧酸盐溶液（如AgNO3、CuSO4）
阴极：电解质阳离子放电
阳极：2H2O-4e-=O2↑+4H+
减小
金属氧化物或碳酸盐
4．根据实验现象判断阴、阳极和电极产物
实际题目中往往不给出电解池的电源，而是给出一些实验现象，据此先判断出是何种离子放电，从而确定出电源的正负极和电解池的阴阳极，并进行有关问题的分析。
（1）滴入酚酞试剂显红色的一极（说明H+放电显碱性）是阴极，接电源的负极。
（2）滴入石蕊试剂显红色的一极（说明OH-放电显酸性）是阳极，接电源的正极。
（3）电极增重的一极（说明不活泼金属离子放电析出金属）是阴极，接电源的负极。
【典例2】用惰性电极电解下列酸、碱、盐电解质溶液：
①H2SO4；②HCl；③NaOH；④Na2SO4；⑤CuCl2；⑥NaCl；⑦CuSO4。
回答下列问题：
（1）分别写出上述电解的电极反应式和总反应式
电解质
阴极反应
阳极反应
电解方程式
①H2SO4



②HCl



③NaOH



④Na2SO4



⑤CuCl2



⑥NaCl



⑦CuSO4



（2）电解后溶液的pH显著增大的是_________，减小的是_________，不变的是_________。
（3）欲使电解的溶液复原，只加入水的是_________，只加入电解质本身的是_________；欲使电解后的⑥复原需加入_________，欲使电解后的⑦复原需加入_________。
答案：（1）
电解质
阴极反应
阳极反应
电解方程式
①H2SO4
4H＋＋4e－=2H2↑
2H2O-4e-=O2↑+4H+
2H2O2H2↑＋O2↑
②HCl
2H＋＋2e－=H2↑
2Cl－－2e－===Cl2↑
2HClH2↑＋Cl2↑
③NaOH
4H2O+4e-=2H2↑+4OH-
4OH－-4e－=2H2O＋O2↑
2H2O2H2↑＋O2↑
④Na2SO4
4H2O+4e-=2H2↑+4OH-
2H2O-4e-=O2↑+4H+
2H2O2H2↑＋O2↑
⑤CuCl2
Cu2＋＋2e－===Cu
2Cl－－2e－===Cl2↑
CuCl2Cu＋Cl2↑
⑥NaCl
2H2O+2e-=H2↑+2OH-
2Cl－－2e－===Cl2↑
2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
⑦CuSO4
Cu2＋＋2e－===Cu
2H2O-4e-=O2↑+4H+
2CuSO4＋2H2O2H2SO4＋2Cu＋O2↑
（2）②③⑥ ①⑦ ④
（3）①③④ ②⑤ HCl CuO

分层提分

题组A 基础过关练
1．下列关于电解池工作原理的说法中，错误的是(　　)
A．电解池是一种将电能转变成化学能的装置
B．电解池中发生的反应是非自发的氧化还原反应
C．电解池工作时，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应
D．电解池放电时，电极本身不会参加电极反应
答案：D
2．关于电解池的叙述中，不正确的是(　　)
A．电解池的阳极发生氧化反应
B．电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极
C．与电源正极相连的是电解池的阴极
D．参与电解的阳离子往阴极移动
答案：C
解析：与电源正极相连的是电解池的阳极。
3．下列说法错误的是(　　)
A．电解质的导电过程是化学变化，而金属的导电是物理变化
B．电解质溶液导电的过程，就是电解质被电解的过程
C．电解质在任何条件下均可以导电
D．电解质溶液在导电过程中一定有新物质生成
答案：C
解析：电解质导电的过程就是被电解的过程，在电解过程中发生氧化还原反应一定有新物质生成，所以是化学变化；而金属导电是靠自由电子的定向移动，无新物质生成，是物理变化，故A、B、D项正确。电解质要导电只有在电离的条件下，存在自由移动的离子时才能导电，所以C项错误。
4．用石墨作电极，电解下列物质的溶液，其实质不是电解水的是(　　)
A．NaNO3 B．NaOH C．Na2SO4 D．NaCl
答案：D
5．下面列出了用惰性电极电解不同物质的电极反应式，其中错误的是(　　)
A．电解饱和食盐水　阴极:Na++e-Na
B．电解CuSO4溶液　阴极:Cu2++2e-Cu
C．电解熔融NaCl　阴极:Na++e-Na
D．电解NaOH溶液　阳极:4OH--4e-2H2O+O2↑
答案：A
解析：饱和食盐溶液中离子有Na+、H+及Cl-、OH-四种,得电子能力H+>Na+,阴极反应为2H++2e-H2↑,故A错误;电解CuSO4溶液,阴极上是铜离子得电子发生还原反应,即Cu2++2e-Cu,故B正确;电解熔融NaCl,阴极上是钠离子得电子发生还原反应,即:Na++e-Na,故C正确;电解NaOH溶液,阳极上是氢氧根离子失电子发生氧化反应:4OH--4e-2H2O+O2↑,故D正确。
6．用惰性电极电解下列溶液，其中随着电解的进行，溶液pH逐渐减小的是(　　)
①氯化钠溶液　②硫酸铜溶液　③氢氧化钠溶液　④稀硫酸　⑤稀盐酸　⑥硫酸钠溶液
A．①③⑤ B．②④⑤ C．②④ D．②④⑥
答案：C
7．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物质(方括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是(　　)
A．AgNO3[AgNO3] B．NaOH[H2O] C．KCl[KCl] D．CuSO4[Cu(OH)2]
答案　B
8．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
答案：B
解析：当电解池的电极是惰性电极时，阳极不溶解，电解过程的本质是电解溶剂水或电解质或二者都发生反应。电解的反应分别为
A．2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4
B．2H2O2H2↑＋O2↑
C．CuCl2Cu＋Cl2↑
D．2NaCl＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2NaOH
所以B项电解H2SO4的实质是电解水。
若将电子转移数定为“4e－”，4个电极上析出或溶解物质的物质的量之比显而易见。
9．从H＋、Cu2＋、Na＋、SO、Cl－五种离子中选择并恰当地组成电解质，按下列要求进行电解：
(1)以石墨为电极，使电解质质量减少，水质量不变，进行电解，则可采用的电解质是____________。
(2)以石墨为电极，使电解质质量不变，水质量减少，进行电解，则可采用的电解质是__________。
(3)以石墨为阳极，铁棒为阴极，使电解质和水的质量都减少，进行电解，则电解质是____________。
(4)以石墨为电极进行电解，若阴极析出金属，阳极放出O2时，电解质的化学式可能是____________。
(5)以石墨为电极进行电解，两极分别放出气体，且体积比为1∶1时，电解质的化学式可能是__________。
答案：(1)HCl、CuCl2　(2)H2SO4、Na2SO4、NaHSO4
(3)CuSO4、NaCl　(4)CuSO4　(5)HCl、NaCl
10．按下图所示的装置进行电解，在通电一段时间后，铁电极的质量增加。

(1)写出甲杯中两极发生的电极反应式
阴极：_____________________；阳极：______________________。
(2)写出甲杯中发生反应的化学方程式：______________________________________。
(3)C—C—Fe—Ag 4个电极上析出或溶解物质的物质的量之比是________。
答案：(1)2Cu2＋＋4e－===2Cu　4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
(2)2CuSO4＋2H2O2Cu＋2H2SO4＋O2↑
(3)2∶1∶4∶4
解析：铁电极的质量增加，说明铁电极是阴极。则银电极是阳极，左碳电极是阴极，右碳电极是阳极。装置甲是硫酸铜溶液的电解池，装置乙是铁上镀银的电镀池。有关电极反应式为：
甲　阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
乙　阳极：Ag－e－===Ag＋ 阴极：Ag＋＋e－===Ag

题组B 能力提升练
1．如图所示，X、Y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板处有无色无味气体放出。符合这一情况的是附表中的(　　)


a极板
b极板
X电极
Z溶液
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：由题意知，通电后a极板质量增加，说明有金属析出，由此可知，a极为电解池的阴极，则X为电源负极，B、C均不符合；又b极放出的是无色无味的气体，可淘汰D。
2．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
答案：B
解析：由题意可知，M极溶解，发生氧化反应，为阳极，N极质量增加，故有金属单质在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。
3．医用口罩的外层喷有丙烯的聚合物聚丙烯。某科硏机构在酸性条件下,用石墨棒作电极，将CO2转化为丙烯(CH2=CH—CH3)，原理如图所示。下列有关叙述错误的是 (　　)

A．a为电源负极
B．左池的电极反应式：3CO2+18e-+18H+===CH2=CH—CH3+6H2O
C．H+从右侧通过质子交换膜进入左侧
D．若制取过程中转移3 mol电子，则产生11.2 L丙烯
答案：D
解析：A.二氧化碳中的碳由+4价转化为丙烯中的碳-2价，发生还原反应，则左池为阴极区，则a为电源负极，故A正确；B.左池发生还原反应，生成丙烯，电极反应式为3CO2+18e-+18H+===CH2=CH-CH3+6H2O,故B正确；C.电解池中阳离子向阴极移动，则H+从右侧通过质子交换膜进入左侧，故C正确；D.状况不知，气体摩尔体积不知，无法由物质的量求气体的体积，故D错误。
4．某兴趣小组的同学用如图所示装置研究有关电化学的问题。当闭合该装置的电键时，观察到电流计的指针发生了偏转。下列说法不正确的是(　　)

A．甲装置为原电池
B．装置乙中电能转化为化学能
C．可用湿润的淀粉KI试纸检验石墨电极产物
D．Cu电极的电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑
答案：C
解析：锌和稀硫酸自发反应，因此锌、铜和稀硫酸构成原电池，则甲装置为原电池，A正确；装置甲是原电池，装置乙是电解池，装置乙中能量转化方式为电能转化为化学能，B正确；石墨电极和锌电极相连，锌是负极，石墨是阴极，溶液中铜离子放电，析出铜，Pt电极是阳极，溶液中氯离子放电，产生氯气，因此可用湿润的淀粉KI试纸检验Pt电极产物，C错误；Cu电极是正极，溶液中氢离子放电，电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑，D正确；答案选C。
5．如下图所示，当线路接通时，发现M(用石蕊试液浸润过的滤纸)a端显蓝色，b端显红色，且知甲中电极材料是锌、银，乙中电极材料是铂、铜，且乙中两极不发生变化。回答：

(1)装置名称：甲是__________，乙是____________。
(2)电极名称及电极材料：
A__________，__________；B____________，__________；
C__________，__________；D__________，__________。
答案：(1)原电池　电解池
(2)负极　Zn　正极　Ag　阳极　Pt　阴极　Cu
解析：甲中可自发的发生氧化还原反应，乙不能，因此甲为原电池，乙为电解池。a端显蓝色，说明H＋反应余OH－，则a为电解池阴极，那么A为原电池负极，B为正极，C为阳极，D为阴极。乙中两极不发生变化，则阳极为铂，阴极为Cu。

题组C 培优拔尖练
1．用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为1∶3的CuSO4和NaCl的混合溶液，可能发生的反应有(　　)
①2Cu2＋＋2H2O2Cu＋4H＋＋O2↑
②Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑
③2Cl－＋2H＋H2↑＋Cl2↑
④2H2O2H2↑＋O2↑
A．①②③ B．①②④ C．②③④ D．②④
答案：D
解析：由n(CuSO4)∶n(NaCl)＝1∶3得n(Cu2＋)∶n(Cl－)＝1∶3，根据放电顺序，阴离子：Cl－>OH－>SO，阳离子：Cu2＋>H＋>Na＋，知该电解过程分为3个阶段，第一阶段：电解CuCl2溶液：Cu2＋＋2Cl－Cu＋Cl2↑；第二阶段：电解NaCl溶液：阴极：2H＋＋2e－===H2↑，阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑，两式相加得到总反应式2Cl－＋2H＋H2↑＋Cl2↑，忽略了H＋来自于水，书写总反应式时不能将两式简单相加，而应将H＋改写成H2O而生成OH－，即2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑；第三阶段：电解H2O：2H2O2H2↑＋O2↑。
2．按图甲装置进行实验，若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量。下列叙述正确的是(　　)

A．F表示反应生成Cu的物质的量
B．E表示反应实际消耗H2O的物质的量
C．E表示反应生成O2的物质的量
D．F表示反应生成H2SO4的物质的量
答案：B
解析：电解实反应为2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，则每通过4 mol e－，生成Cu 2 mol，O2 1 mol，耗H2O 2 mol，生成H2SO4 2 mol。
3．用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。则电解过程中转移的电子的物质的量为(　　)
A．0.1 mol B．0.2 mol C．0.3 mol D．0.4 mol
答案：D
解析：由电解CuSO4溶液的反应的化学方程式2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4知，电解过程中只析出Cu和放出O2，故电解后加入CuO就可以复原。但本题提示加入0.1 mol Cu(OH)2可以复原，说明电解过程中不仅有CuSO4被电解，还有H2O被电解。0.1 mol Cu(OH)2相当于0.1 mol CuO和0.1 mol H2O，由电子守恒得0.1 mol CuO～0.1 mol Cu～0.2 mol e－，0.1 mol H2O～0.1 mol H2～0.2 mol e－，共计0.4 mol e－。
4．法国化学家莫瓦桑经过多次实验，在1886年通过电解法制得了F2。方法为在无水HF中电解KHF2制得单质氟。下列判断不正确的是(　　)
A．阳极产物为F2
B．阴极的电极反应2HF＋2e－===H2↑＋4F－
C．该电解操作应该在通风橱中进行
D．电解一段时间后，在相同条件下，阳极产生的气体体积比阴极的多
答案：D
解析：阳极发生氧化反应，分析KHF2中各元素的化合价变化可知，阳极上F－失去电子变为F2，所以阳极的电极反应为2F－－2e－===F2↑，A正确；阴极上HF得电子生成H2，电极反应式为2HF＋2e－===H2↑＋4F－，B正确；F2有剧毒，因此反应必须在通风橱中进行，C正确；电解时，总反应为2KHF22KF＋H2↑＋F2↑，由电解反应方程式可知：两极反应产生气体的物质的量相等，则电解一段时间后，在相同条件下，阴、阳极两极产生的气体体积相等，D错误；故答案为D
5．用惰性电极电解CuSO4溶液。若阴极上析出Cu的质量为3.2 g，则阳极上产生气体在标准状况下的体积为______________；室温下，若将电解后的溶液稀释至1 L，则溶液中的c(H＋)为________。
答案：0.56 L　0.1 mol·L－1
解析：用惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，阴极：Cu2＋＋2e－===Cu，根据得失电子守恒，n(O2)＝n(Cu)＝×＝0.025 mol，所以标准状况下V(O2)＝0.56 L；根据反应2CuSO4＋2H2O2Cu＋O2↑＋2H2SO4，电解后溶液中n(H＋)＝4n(O2)＝0.1 mol，所以c(H＋)＝0.1 mol·L－1。