2024届高考化学复习讲义第六章化学反应与能量变化第五讲电解池及其工作原理含答案

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2.物质转化与能量转化相结合视角
原电池主要是基于能量转化为目的的装置，电解池主要是基于物质转化为目的的装置。
3.认识思路
考点 电解池及其工作原理
1.电解
使电流通过[1] 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。
2.电解池
（1）电解池：将[2] 电能 转化为[3] 化学能 的装置叫作电解池，也叫电解槽。
（2）电解池的构成
①电极材料：有与电源相连的两个电极（阳极和阴极）。
②离子导体：电解质溶液（或熔融电解质）。
③电子导体：形成闭合回路。
（3）电解池的工作原理（以电解CuCl2溶液为例）
注意 “电子桥上走，离子水中游”。阳离子移动方向与电流方向一致，阴离子移动方向与电流方向相反。
3.放电顺序
（1）阳极放电规律
①活性电极（除Au、Pt以外的金属材料作电极），电极材料失电子，生成金属阳离子。
②惰性电极[Pt、Au、石墨（有些电解池中作阳极也可参与反应，见命题点1 T2）]，要依据阴离子的放电顺序加以判断。
阴离子的放电顺序：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞最高价含氧酸根离子。S2－、I－、Br－、Cl－放电产物分别是S、I2、Br2、Cl2，OH－放电得到H2O和O2。
（2）阴极放电规律
直接根据阳离子放电顺序进行判断。
注意 ①水电离的H＋、OH－在电极上放电时，反应物写成H2O的形式。如2H2O＋2e－H2↑＋2OH－、2H2O－4e－O2↑＋4H＋。
②酸电离的H＋放电时，电极反应式为2H＋＋2e－H2↑，碱电离的OH－放电时，电极反应式为4OH－－4e－O2↑＋2H2O。
4.惰性电极电解电解质溶液的规律
拓展 电解后电解质溶液的复原
解决电解质溶液复原问题，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则。一般加入由阴极产物所含元素与阳极产物所含元素按一定比例组成的化合物。方法：先让析出的物质（即从原体系中脱离出去的产物）按比例组成新化合物，再将化合物投入电解后的溶液中即可。
1.易错辨析。
（1）电解质溶液的导电过程一定发生了化学变化。（ √ ）
（2）电解池工作时电子从电源的负极流出，流入阴极通过溶液到阳极，然后从阳极流出，流回电源正极。（ ✕ ）
（3）用Cu作电极电解盐酸可发生反应Cu＋2H＋电解Cu2＋＋H2↑。（ √ ）
（4）电解盐酸、硫酸时，H＋放电，溶液的pH逐渐增大。（ ✕ ）
2. 电解CuCl2溶液装置如图所示，在U形管中注入质量分数为25％的CuCl2溶液，插入两根石墨棒电极，把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的石墨棒附近，通电后，实验现象是 阴极上有红色物质产生，阴极附近溶液颜色变浅，阳极上产生黄绿色有刺激性气味气体且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，电流表指针偏转 。
3.（1）用惰性电极电解AgNO3溶液，阳极反应式为 2H2O－4e－O2↑＋4H＋ ；阴极反应式为 Ag＋＋e－Ag 。
（2）用Al作电极电解NaOH溶液，阳极反应式为 Al－3e－＋4OH－[Al（OH）4]－ ；阴极反应式为 2H2O＋2e－H2↑＋2OH－ 。
（3）以铝材为阳极，电解稀 H2SO4，在铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为 2Al－6e－＋3H2OAl2O3＋6H＋ ；阴极反应式为 2H＋＋2e－H2↑ 。
4.[2023全国乙改编]在电解槽中发生电解反应的离子方程式为Mn2＋＋2H2O电解MnO2↓＋2H＋＋H2↑，随着电解反应进行，为保持电解液成分稳定，应不断 加Mn（OH）2 ，电解废液可在反应器中循环利用。5.用惰性电极电解0.1 L 1 ml·L－1的CuSO4溶液。
（1）当阴极质量增加6.4 g红色固体时，使电解质溶液复原，可以向溶液中加入 8.0 g CuO 。
（2）当阴极质量增加6.4 g红色固体及产生2.24 L （标准状况）H2时，使电解质溶液复原，可以向溶液中加入 9.8 g Cu（OH）2（或8.0 g CuO和1.8 g H2O） 。
（3）当阴极产生4.48 L（标准状况）H2时，使电解质溶液复原，可向溶液中加入 9.8 g Cu（OH）2和1.8 g H2O（或8.0 g CuO和3.6 g H2O） 。
研透高考 明确方向
命题点1 离子放电顺序的应用
1.[离子放电顺序][2021全国乙]沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极（如图所示），通入一定的电流。下列叙述错误的是（ D ）
A.阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应
B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO
C.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气
D.阳极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理
解析 阴离子放电顺序：Cl－＞OH－（水）；阳离子放电顺序：H＋（水）＞Mg2＋＞Na＋。
阴极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理，D项错误。
命题拓展
（1）[设问拓展]海水中的元素分为常量元素（＞1 mg·L－1）与微量元素。海水中的离子放电顺序：
Cl－ ＞ （填“＞”或“＜”，下同）OH－（水），H＋（水） ＞ Mg2＋ ＞ Na＋，阳极发生的反应为 2Cl－－2e－Cl2↑ 。
（2）[选项拓展]如果管道中有NaClO生成，请写出生成NaClO的离子方程式： Cl2＋2OH－Cl－＋ClO－＋H2O 。
（3）[选项拓展]若阴极表面形成了Mg（OH）2积垢，阳极反应产物是否可以将其清理掉？如果能，写出相关反应的化学方程式： 能。Cl2＋H2O⇌HCl＋HClO，2HCl＋Mg（OH）2MgCl2＋2H2O 。
2.[2023浙江]在熔融盐体系中，通过电解TiO2和SiO2获得电池材料（TiSi），电解装置如图，下列说法正确的是（ C ）
A.石墨电极为阴极，发生氧化反应
B.电极A的电极反应：8H＋＋TiO2＋SiO2＋8e－TiSi＋4H2O
C.该体系中，石墨优先于Cl－参与反应
D.电解时，阳离子向石墨电极移动
解析
石墨电极为阳极，A项错误；该电解池的电解质为熔融盐，不存在H＋，B项错误；根据阳极上生成CO知，石墨优先于Cl－参与反应，C项正确；石墨电极为阳极，阴离子O2－向石墨电极移动，D项错误。
技巧点拨
电解池阴、阳极的判断方法
命题点2 电极反应式的书写
3.[2022浙江]通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如下（其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计）。下列说法不正确的是（ C ）
A.电极A为阴极，发生还原反应
B.电极B的电极反应：2H2O＋Mn2＋－2e－MnO2＋4H＋
C.电解一段时间后溶液中Mn2＋浓度保持不变
D.电解结束，可通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3
解析 由示意图可知，电解时，电极A上LiMn2O4中Mn元素化合价降低，被还原，电极A是电解装置的阴极，A项正确；由电解装置中电极B上的物质变化可知，Mn2＋被氧化成MnO2，B项正确；阴极上LiMn2O4→2Mn2＋，Mn元素化合价共变化3，阳极上 Mn2＋→MnO2，Mn元素化合价由＋2→＋4，化合价变化的绝对值不相等，故电解过程中，溶液中的Mn2＋浓度会变化，C项错误；通过调节溶液pH，可使Mn2＋转化为沉淀而除去，再加入可溶性的碳酸钠可使Li＋转化为难溶的碳酸锂，D项正确。
命题拓展
（1）[设问拓展]若将MnO2和Li2CO3按物质的量之比 4∶1配料，混合搅拌，然后升温至600～700 ℃，制取产品LiMn2O4，写出该反应的化学方程式 8MnO2＋2Li2CO3600~700°C4LiMn2O4＋2CO2↑＋O2↑ 。
（2）[选项拓展]电解结束后，通过调节pH除去Mn2＋，再加入Na2CO3溶液获得Li2CO3沉淀，洗涤Li2CO3沉淀的操作是 沿玻璃棒向过滤器中加入蒸馏水至浸没沉淀，待水自然流出，重复操作2～3次 。
4.[与有机物有关的电极反应式的书写][2021全国甲]乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H＋和OH－，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是（ D ）
A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B.阳极上的反应式为＋2H＋＋2e－＋H2O
C.制得2 ml乙醛酸，理论上外电路中迁移了1 ml 电子
D.双极膜中间层中的H＋在外电场作用下向铅电极方向迁移
解析
由图示可知，石墨电极上的电极反应为2Br－－2e－Br2，所以该电极为阳极，KBr既是电解质也是电极反应物，A项错误；阳极反应为2Br－－2e－Br2，B项错误；由反应①②可知制得2 ml乙醛酸，外电路转移2 ml电子，C项错误；由反应②消耗H＋可知双极膜中的H＋向左室迁移，D项正确。
技巧点拨
书写电极反应式的方法
1.利用双线桥拆分法书写
当给出电解总反应，可画出双线桥，标出电子转移的方向与数目，拆分成两个半反应。如铅酸蓄电池充电时相当于电解池反应。
2.根据电极反应物与产物运用“配电子、配电荷、配原子”书写。课标要求
核心考点
五年考情
核心素养对接
1.了解电解池的工作原理。
2.能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的电解池
电解池
及其工
作原理
2023新课标卷，T10；2023全国乙，T27；2022年6月浙江，T21；2021海南，T9；2021湖北，T15；2021全国乙，T12；2020全国Ⅱ，T12、T28；2019北京，T27；2019江苏，T20
1.宏观辨识与微观探析：能判断电流方向和离子移动方向，预测电极反应及现象；能书写陌生电极反应式；能设计简单的电解装置。
2.证据推理与模型认知：能记住常见阴、阳离子的放电顺序；能建立氧化还原反应与电解池的关联；能建立电化学原理与装置间的关联
命题分析预测
1.高考对电解池及其工作原理的考查主要涉及离子移动方向、电子流向、电极反应式的书写、电源正负极的判断等。
2.预计2025年高考仍会以选择题为主，考查新型电解池（“活泼阳极”电解池或多室膜电解池），考查考生在新情境中对电解池的工作原理及其应用的理解及迁移应用能力
类型
实例
电极反应及总反应
电解质溶
液的变化
电解质溶液
复原的方法
电解
水型
H2SO4
阴极：4H＋＋4e－2H2↑
阳极：[12] 2H2O－4e－O2↑＋4H＋
总反应：2H2O电解2H2↑＋O2↑
浓度
增大
加水
NaOH
阴极：4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－
阳极：4OH－－4e－2H2O＋O2↑
总反应：2H2O电解2H2↑＋O2↑
KNO3
阴极：[13] 4H2O＋4e－2H2↑＋4OH－
阳极：2H2O－4e－O2↑＋4H＋
总反应：2H2O电解2H2↑＋O2↑
电解
电解
质型
HCl
阴极：2H＋＋2e－ H2↑
阳极：[14] 2Cl－－2e－ Cl2↑
总反应：2H＋＋2Cl－电解H2↑＋Cl2↑
浓度
减小
通HCl
气体
CuCl2
阴极：[15] Cu2＋＋2e－Cu
阳极：[16] 2Cl－－2e－Cl2↑
总反应：Cu2＋＋2Cl－电解Cu＋Cl2↑
加CuCl2
电解
电解
质和
水型
NaCl、
KCl
（放H2
生碱）
阳极：2Cl－－2e－Cl2↑
阴极：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－
总反应：2Cl－＋2H2O电解Cl2↑＋H2↑＋2OH－
浓度减小并生成新电解质
通HCl
气体
MgCl2
（放H2
生碱，
碱难溶）
阳极：2Cl－－2e－Cl2↑
阴极：Mg2＋＋2H2O＋2e－H2↑＋Mg（OH）2
总反应：Mg2＋＋2Cl－＋2H2O电解Mg（OH）2＋Cl2↑＋H2↑
浓度减小并生成新电解质
加MgCl2
溶液
CuSO4、
Cu（NO3）2
（放O2
生酸）
阳极：2H2O－4e－ 4H＋＋O2↑
阴极：Cu2＋＋2e－Cu
总反应：2Cu2＋＋2H2O电解2Cu＋O2↑＋4H＋
浓度减小并生成新电解质
加CuO或
CuCO3