第2节 电能转化为化学能——电解
第1课时 电解的原理
[学习目标定位] 会描述电解池的工作原理,能正确书写电解池的电极反应式和总反应方程式,熟悉电解规律和电解产物的判断方法。
一 电解原理
1.下图为工业上电解熔融氯化钠生产金属钠的装置示意图。容器中盛有熔融的氯化钠,两侧分别插入石墨片和铁片作为电极材料,两个电极分别与电源的正极和负极相连。
(1)通电前
熔融NaCl中存在的微粒有Na+、Cl-,这些微粒的运动状态是自由移动。 (2)通电后
①离子运动方向:阳离子Na+(填离子符号)移向铁电极, 阴离子Cl-(填离子符号)移向石墨电极, ②电极上发生的反应:
铁电极:2Na++2e-===2Na,发生还原反应; 石墨电极:2Cl--2e-===Cl2↑,发生氧化反应。
(3)由以上分析可知:熔融的NaCl在直流电源作用下发生了氧化还原反应,分解生成了Na和Cl2。 2.电解和电解池
(1)电解是使直流电通过电解质溶液或熔融电解质而在两个电极上引起氧化还原反应的过程。
(2)电解池是将电能转化为化学能的装置。 (3)电极名称
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。 归纳总结
1.电解池的工作原理示意图
2.电解质导电的过程就是电解质的电解过程。
1.关于电解池的叙述不正确的是( ) A.与电源正极相连的是电解池的阳极 B.电解质溶液中的阳离子向阴极移动 C.在电解池的阳极发生氧化反应
D.电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极,再经电解质溶液流入电解池的阳极 答案 D
解析 与电源正极相连的是电解池的阳极,电解池中的阴离子移向阳极,失去电子发生氧化反应,A、B、C正确。电子由电源负极流向电解池阴极,不能经电解质溶液流向电解池的阳极,D错误。
2.下列关于电解的叙述中,正确的是( )
①电解是把电能转变成化学能 ②电解是把化学能转变成电能 ③电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化 ④某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现 ⑤任何水溶液电解时,必将导致氧化还原反应 A.②③④ C.①②④ 答案 D
解析 把化学能转变成电能的装置是原电池;只要电解,必将发生氧化还原反应,也一定发生化学变化;一些不能自发进行的反应,可以借助电解来实现,故选D。
B.①②③④ D.①③④⑤
二 酸、碱、盐溶液的电解规律
1.按下图所示装置完成实验。
(1)填写下表:
实验现象 检流计指针发生偏转 与负极相连的b极上逐渐覆盖了一层红色物质 与正极相连的a极上有刺激性气味的气体产生,能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝 (2)实验原理分析 ①氯化铜溶液中的电离过程有CuCl2===Cu2++2Cl-,H2O
H++OH-;溶液中实验结论 说明电解质溶液在导电 析出金属铜 产生了氯气 存在的离子有Cu2+、Cl-、H+、OH-。通电前,这些离子在溶液中做自由运动。 ②通电时,在电场的作用下,溶液中的离子做定向移动,即Cl-、OH-趋向a极,Cu2+、H+趋向b极。
③a极电极反应式是2Cl--2e-===Cl2↑,b极电极反应式是Cu2++2e-===Cu,总反应式是CuCl2=====Cu+Cl2↑。
--2.有下列两组离子:①Cu2+、Na+、H+、Ag+;②Cl-、I-、SO24、OH。用惰性
通电
2-电极电解时,移向阳极的是②,放电先后顺序是I->Cl->OH->SO4;移向阴极的是①,放电先后顺序是Ag>Cu2>H>Na。
+
+
+
+
3.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)阴极反应式与①相同的有②③④⑥,其电极反应式是2H++2e-===H2↑;与⑤相同的有⑦,其电极反应式是Cu2++2e-===Cu。
(2)阳极反应式与①相同的有③④⑦,其电极反应式是4OH--4e-===O2↑+2H2O;与②相同的有⑤⑥,其电极反应式是2Cl--2e-===Cl2↑。 (3)写出下列电解的化学方程式
③2H2O=====2H2↑+O2↑;
⑥2NaCl+2H2O=====2NaOH+H2↑+Cl2↑; ⑦2CuSO4+2H2O=====2H2SO4+2Cu+O2↑。
(4)只有水发生电解的是①③④,只有电解质本身发生电解的是②⑤,电解质和水都发生电解的是⑥⑦。
(5)电解后溶液的pH显著增大的是②③⑥,减小的是①⑦,不变的是④⑤。 (6)欲使电解后的溶液复原,只加入水的是①③④,只加入电解质的是②⑤;欲使电解后的⑥复原需通入HCl气体,欲使电解后的⑦复原需加入CuO。 归纳总结
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、水的电离平衡移动、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:K+ (2)阳极:电极材料本身失去电子被氧化而溶入溶液中,或者溶液中还原性强的阴离子失去电子被氧化。其放电顺序:金属阳极>S2->I->Cl->OH->含氧酸根离子。 3.用惰性电极进行电解时的电解规律 电极反应特点 阴极:2H电解对象 水 电解质浓度 增大 增pH 电解质溶液复原 加水 通电通电 通电 类型 溶液种类 电解 NaOH 水型 ++2e-H2SO4 水 增大 大 减小 加水 ===H2↑阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑ 电解质电解电解质型 电离出的阴、阳离子分别在两极放电 阴极:H2O放放H2生碱型 出H2生成碱 阳极:电解质的阴离子放电 阴极:电解质的放O2生酸型 阳离子放电阳极:H2O放出O2生成酸 Na2SO4 水 增大 不变 加水 HCl 电解质 减小 增大 略加氯化氢 CuCl2 电解质 减小 增大 加氯化铜 NaCl 电解质和水 生成新电解质 增大 加氯化氢 CuSO4 电解质和水 生成新电解质 减小 加氧化铜 3.用石墨电极电解CuCl2溶液。下列分析正确的是( ) A.a端是直流电源的负极 B.通电使CuCl2发生电离 C.阳极上发生的反应:Cu2++2e-===Cu D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体 答案 A 解析 在电解池中,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极,由Cu2+和Cl-的移动方向可知,a为负极,b为正极,A项正确;电解质在溶液中的电离是在水分子的作用下进行的,并非通电才发生,B项错;阳极上发生氧化反应,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,故C、D项均错。 4.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纯净物(方括号内的物质),能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是( ) A.AgNO3[AgNO3] C.KCl[KCl] 答案 B 解析 A项:4AgNO3+2H2O=====4Ag+O2↑+4HNO3,脱离反应体系的物质是4Ag+O2,相当于2Ag2O,加入适量Ag2O才能复原(加入AgNO3,会使NO-3的量增加);B项:2H2O=====2H2↑+O2↑,脱离反应体系的是2H2+O2,相当于2H2O,加入适量水可以复原;C项:2KCl+2H2O=====2KOH+H2↑+Cl2↑,脱离反应体系的是H2+Cl2,相当于2HCl,通入适量HCl气体才能复原(不能加盐酸,因加入盐酸时,同时也增加了水);D项:2CuSO4+2H2O=====2H2SO4+2Cu+O2↑,脱离反应体系的是2Cu+O2,相当于2CuO,加入适量CuO可以复原。 通电 通电 通电 通电 B.NaOH[H2O] D.CuSO4[Cu(OH)2] 1.用石墨棒作阳极、铁棒作阴极电解熔融的氯化钠,下列说法中正确的是( ) A.石墨周围有大量的Na+ B.铁棒质量增加 C.电子通过电解质溶液由石墨棒流向铁棒 D.铁棒电极发生氧化反应 答案 B 解析 阴离子移向阳极(石墨),发生氧化反应:2Cl--2e-===Cl2↑,阳离子移向阴极(铁棒),发生还原反应:2Na++2e-===2Na;电子不能通过电解质溶液,熔融的电解质是由于自由移动的离子定向移动而导电。 2.下列各组中,每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是( ) A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2 B.NaOH、CuSO4、H2SO4 C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2 D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2 答案 C 解析 本题考查离子放电顺序的应用,考查学生的分析判断能力。电解盐酸的方程式为2HCl=====Cl2↑+H2↑,A选项错;电解CuSO4溶液的方程式为2CuSO4+2H2O=====2Cu+2H2SO4+O2↑,B选项错;电解NaBr溶液的方程式为2NaBr+2H2O=====2NaOH+H2↑+Br2,D选项错。 3.右图所示为直流电源电解稀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( ) 通电通电 通电 A.逸出气体的体积,a电极小于b电极 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 答案 D 解析 用惰性电极电解Na2SO4水溶液时,阴、阳两极发生的电极反应分别为阴极(a):4H++4e-===2H2↑;阳极(b):4OH--4e-===2H2O+O2↑。由于H+和OH-都来自水的电离,因此在阴极有OH-生成,在阳极有H+生成,故遇到石蕊溶液,a极附近溶液显碱性呈蓝色,而b极附近溶液显酸性呈红色。 4.下图所示是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。则下列判断正确的是( ) 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 答案 C 解析 电流的方向与电子移动的方向相反,c极是电解池的阳极,氯离子失电子变成氯气;d为阴极,铜离子得电子变为铜单质。 5.某同学为了使反应2HCl+2Ag===2AgCl+H2↑能进行,设计了如图所示的四个实验,你认为可行的方案是( ) 答案 C 解析 银失电子被氧化,H+得电子被还原,所以银应作电解池的阳极,电解质溶液应为盐酸,故选C。 6.如图X是直流电源。Y池中c、d为石墨棒,Z池中e、f是质量相同的铜棒。接通电路后,发现d附近显红色。 (1)①电源上b为________(填“正”、“负”、“阴”或“阳”,下同)极。 ②Z池中e为________极。 ③连接Y、Z池线路中,电子流动的方向是d________e(用“→”或“←”填空)。 (2)①写出c极上反应的电极反应式: ____________________________________________。 ②写出Y池中总反应的化学方程式:________________________________________ ________________________________________________________________________。 ③写出Z池中e极上反应的电极反应式:_____________________________________ ________________________________________________________________________。 答案 (1)①负 ②阳 ③← (2)①2Cl--2e-===Cl2↑ ②2NaCl+2H2O=====2NaOH+H2↑+Cl2↑ ③Cu-2e-===Cu2+ 解析 d极附近显红色,说明d为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,c为阳极,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,Y池电解NaCl溶液的总反应方程式为2NaCl+2H2O=====2NaOH+Cl2↑+H2↑;直流电源中a为正极,b为负极,Z池中f为 通电 通电 阴极,e为阳极,电极反应式分别为Cu2++2e-===Cu、Cu-2e-===Cu2+,电子流动方向由e→d。 40分钟课时作业 [经典基础题] 1.下列叙述正确的是( ) A.电解池的阴极上都是发生失电子的氧化反应 B.用惰性电极电解Na2SO4溶液,阴、阳两极产物的物质的量之比为1∶2 C.用惰性电极电解饱和NaCl溶液,若有1 mol电子转移,则生成1 mol NaOH D.酸、碱、盐溶液电解后pH都增大 答案 C 解析 电解池的阳极发生失电子的氧化反应,A错;电解Na2SO4溶液,实际是电解水,阴极生成H2,阳极生成O2,二者物质的量之比为2∶1,B错;电解饱和NaCl溶液:2NaCl+2H2O=====2NaOH+H2↑+Cl2↑,每转移1 mol电子,则生成1 mol NaOH,C对;H2SO4、NaOH、Na2SO4溶液电解后pH会分别减小、增大、不变。 2.用惰性电极分别电解下列各物质的水溶液,一段时间后,向剩余电解质溶液中加入适量相应的溶质能使溶液恢复到电解前浓度的是( ) A.AgNO3 C.CuCl2 答案 C 解析 直接加入溶质就能使溶液恢复到电解前的浓度应属于电解溶质型,即选C;AgNO3发生的电解反应是4AgNO3+2H2O=====4Ag+O2↑+4HNO3,可加Ag2O或Ag2CO3;电解Na2SO4溶液实际电解的是水;电解KCl溶液实际电解的是溶质和溶剂,通HCl气体能恢复原状。 3.用铂作电极电解某种溶液,通电一段时间,溶液的pH变小,并且在阳极得到0.56 L气体,阴极得到1.12 L气体(两种气体均在相同条件下测定)。由此可知溶液可能是( ) A.稀盐酸 C.CuSO4溶液 通电 通电 B.Na2SO4 D.KCl B.KNO3溶液 D.稀硫酸 答案 D 解析 阳极与阴极产生的气体体积之比为电解了含氧酸的水溶液。 4.以石墨为电极,电解KI溶液(其中含有少量酚酞和淀粉),下列说法错误的是( ) A.阴极附近溶液呈红色 B.阴极逸出气体 C.阳极附近溶液呈蓝色 D.溶液的pH变小 答案 D 解析 以石墨为电极电解KI溶液,在阳极I-放电:2I--2e-===I2,在阴极H2O电离产生的H+放电:2H++2e-===H2↑,由于H+放电促进了H2O H++OH 0.56 L1 =,相当于电解水,pH变小说明1.12 L2 -的平衡正向移动,c(OH-)增大,溶液呈碱性。由于溶液中含有少量的酚酞和淀粉, 所以阳极附近的溶液会变蓝(淀粉遇碘变蓝),阴极附近的溶液会变红(溶液呈碱性);由于电解产物有KOH,所以溶液的pH逐渐增大。 5.用石墨作电极电解CuCl2和KCl的混合溶液,电解初期阴极和阳极分别析出的物质是( ) A.H2、Cl2 C.H2、O2 答案 B 解析 本题考查离子放电顺序,溶液中的离子有Cu2+、K+、H+及Cl-、OH-五种离子,得电子能力:Cu2+>H+>K+,失电子能力:Cl->OH-,所以电解初期阴极:Cu2++2e-===Cu,阳极:2Cl--2e-===Cl2↑,故选B。 6.下列离子方程式书写正确的是( ) A.用石墨作电极电解CuSO4溶液2Cu2++4OH-=====Cu+O2↑+2H2O B.用两铜片作电极电解AgNO3溶液Cu+2Ag+=====2Ag+Cu2+ C.用石墨作电极电解AlCl3溶液2Cl-+2H2O=====H2↑+Cl2↑+2OH- D.用石墨作电极电解NaCl溶液2H++2Cl-=====H2↑+Cl2↑ 答案 B 通电通电通电通电 B.Cu、Cl2 D.Cu、O2 解析 A、C、D各项的离子方程式应写为2Cu2++2H2O=====2Cu+4H++O2↑,2Al3++6H2O=====2Al(OH)3↓+3H2↑+3Cl2↑,2Cl-+2H2O=====H2↑+Cl2↑+2OH-故A、C、D均不正确;B项,电解时阳极Cu失电子生成Cu2+,阴极Ag++e-===Ag,故B项正确。 7.如下图,a、b是石墨电极,通电一段时间后,b极附近溶液显红色。下列说法正确的是( ) 通电 通电 通电 A.X极是电源负极,Y极是电源正极 B.a极的电极反应是2Cl--2e-===Cl2↑ C.电解过程中CuSO4溶液的pH逐渐增大 D.Pt极上有6.4 g Cu析出时,b极产生2.24 L(标准状况)气体 答案 B 解析 b极附近溶液显红色,所以b极上的电极反应为2H++2e-===H2↑。则Y为电源负极,X为正极,Pt为电解池阳极,Cu为阴极;a为阳极,b为阴极;C项,2CuSO4+2H2O=====2Cu+O2↑+2H2SO4,电解过程中CuSO4溶液的pH逐渐减小;D项,Pt极上发生氧化反应,不会有Cu析出。 8.下图所示装置分别通电一段时间后,溶液的质量增加的是( ) 通电 答案 D 解析 A项,电解方程式为2H2O=====2H2↑+O2↑;B项,电解方程式为CuCl2=====Cu+Cl2↑;C项,阳极电极反应式为Cu-2e-===Cu2+,阴极电极反应式为Cu2++2e-===Cu,根据电子守恒知溶液中c(Cu2+)不变;D项,电解总反应为2Ag+Cu(NO3)2=====2AgNO3+Cu,故A和B项溶液质量减小,C项溶液质量不变,D项溶液质量增加。 9.如图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b 通电 通电通电 选项 A B C D 答案 D 解析 电解过程中b和d电极无气体放出,但质量均增大,且增重b 10.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( ) X MgSO4 AgNO3 FeSO4 CuSO4 Y CuSO4 Pb(NO3)2 Al2(SO4)3 AgNO3 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 电解实质为2CuSO4+2H2O=====2Cu+O2↑+2H2SO4,则每通过4 mol e-,生成2 mol Cu、1 mol O2,消耗2 mol H2O,生成2 mol H2SO4。 [能力提升题] ++-2-2+2+11.从NO-3、SO4、H、Cu、Ba、Ag、Cl等离子中选出适当的离子组成电 通电 解质,采用惰性电极对其溶液进行电解。 (1)两极分别放出H2和O2时,电解质的化学式可能是________________________。 (2)若阴极析出金属,阳极放出O2,电解质的化学式可能是______________________________。 (3)两极分别放出气体,且体积比为1∶1,电解质的化学式可能是___________________。 答案 (1)H2SO4、HNO3、Ba(NO3)2 (2)AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4 (3)HCl、BaCl2 解析 (1)组为电解水型,即阳极OH-放电,阴极H+放电。(2)组阳极OH-放电,阴极排在H后的金属阳离子放电。(3)组气体体积比为1∶1,不是电解水型,经分析可得相应答案。 12.电解装置如图所示。图中B装置盛1 L 2 mol·L-1的Na2SO4溶液,A装置中盛1 L 2 mol·L-1 AgNO3溶液。通电后,湿润的淀粉-KI试纸的C端变蓝色。电解一段时间后,试回答: (1)A中发生反应的化学方程式为____________________________。 (2)在B中观察到的现象是________________________________。 (3)室温下若从电解开始到时间t时,A、B装置中共收集到0.168 L(标准状况)气体。若电解过程中无其他副反应发生,且溶液体积变化忽略不计,则在t时,A溶液中 酸的浓度为 ________________________________________________________________________。 答案 (1)4AgNO3+2H2O=====4Ag+O2↑+4HNO3 (2)接通电源后,铜棒周围开始变为蓝色,石墨棒上有无色气泡产生,一段时间后,U形管底部出现蓝色絮状沉淀 (3)0.01 mol·L-1 解析 (1)A池中Fe为阴极:4Ag++4e-===4Ag;Pt为阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑,故反应的化学方程式为4AgNO3+2H2O=====4Ag+O2↑+4HNO3。 (2)B池中Cu为阳极:Cu-2e-===Cu2+,石墨为阴极:2H++2e-===H2↑,阴极H +放电,破坏水的电离平衡,生成 通电 通电 OH-,与阳极生成的Cu2+在U形管底部相遇生 成沉淀:Cu2++2OH-===Cu(OH)2↓。 (3)4HNO3~4e-~O2↑~2H2↑ 4 mol 22.4 L+22.4 L×2 n(HNO3) 0.168 L n(HNO3)=0.01 mol c(HNO3)= 0.01 mol-1。 =0.01 mol·L 1 L 13.如图是一个用铂丝作电极,电解稀的MgSO4溶液的装置,回答下列问题: (1)写出A管中发生反应的反应式:_____________________________。 (2)写出B管中发生反应的反应式:_____________________________________。 (3)检验a管中气体的方法是_______________________________________________。 (4)电解一段时间后,切断电源,将电解液倒入烧杯内观察到的现象是_________________________________。 答案 (1) 2H++2e-===H2↑,Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓ (2) 4OH--4e-===2H2O+O2↑ (3)用拇指按住管口,取出试管,靠近火焰,放开拇指,有爆鸣声,管口有蓝色火焰 (4) 白色沉淀溶解(或大部分溶解) 解析 A为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,a管收集的是H2;B为阳极,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,b管中收集的是O2。因H+放电,A管溶液中的Mg2+与OH-结合,生成Mg(OH)2白色沉淀。 14.在如图中,甲烧杯中盛有100 mL 0.50 mol·L-1 AgNO3溶液,乙烧杯中盛有100 mL 0.25 mol·L-1 CuCl2溶液,A、B、C、D均为质量相同的石墨电极,如果电解一段时间后,发现A极比C极重1.9 g,则 (1)电源E为________极,F为________极。 (2)A极的电极反应式为____________________________________________, 析出物质________mol。 (3)B极的电极反应式为___________________________________________, 析出气体________mL(标准状况)。 (4)C极的电极反应式为__________________________________________, 析出的物质________mol。 (5)D极的电极反应式为________________________________, 析出气体________mL(标准状况)。 答案 (1)负 正 (2)4Ag++4e-===4Ag 0.025 (3)4OH--4e-===2H2O+O2↑ 140 (4)Cu2++2e-===Cu 0.012 5 (5)2Cl--2e-===Cl2↑ 280 解析 由电解一段时间后A极比C极重,可知A极上有Ag析出,C极上有Cu析1 出,若A极上析出银的物质的量为n(Ag),则C极上析出Cu的物质的量为2n(Ag),1 有关系式108 g·mol-1·n(Ag)-64 g·mol-1·n(Ag)×2=1.9 g,n(Ag)=0.025 mol。由 此可知,两电解池内的电解质均是足量的,故两池电极反应式分别为A极:Ag++e-===Ag;B极:4OH--4e-===2H2O+O2↑;C极:Cu2++2e-===Cu;D极:2Cl --2e-===Cl 2↑。A、C 两极析出物质的物质的量分别为0.025 mol和0.012 5 mol; B极析出O2的体积为0.006 25 mol×22.4 L·mol-1=0.14 L=140 mL;D极析出Cl2的物质的量为0.012 5 mol×22.4 L·mol-1=0.28 L=280 mL。