电解池教学设计

电解原理教学设计
一、电解原理
1．电解质溶液的导电
我们知道，金属导电时，是金属内部的自由电子发生的定向移动，而电解质溶液的导电与金属导电不同。

通电前电解质溶液中阴、阳离子在溶液中自由地移动；通电后在电场的作用下，这些自由移动的离子改作定向移动，带负电荷的阴离子由于静电作用向阳极移动，带正电荷的阳离子则向阴极移动，并在两极上发生氧化还原反应。

我们把：
借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转化为化学能的装置叫电解池。

电解池中与直流电源负极相连的电极叫阴极，与直流电源正极相连的电极叫阳极。

物质能否导电是由其内部能否形成定向移动的自由电荷所决定的，对金属就是自由电子，而对电解质溶液就是自由移动的阴阳离子。

2．电解
（1）概念：
使电流流过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。

（2）电子流动的方向：
电子从外接直流电源的负极流出，经导线到达电解池的阴极，电解池溶液中的阳离子移向阴极，并在阴极获得电子而被还原，发生还原反应；与此同时，电解池溶液中的阴离子移向阳极，并在阳极上失去电子（也可能是阳极很活泼而本身失去电子）而被氧化，发生氧化反应。

这样，电子又从电解池的阳极流出，沿导线而流回外接直流电源的正极。

（3）电极反应的类型：
阳极反应为氧化反应，阴极反应为还原反应，故而阴极处于被保护的状态，而阳极则有可能被腐蚀。

3、电极名称的进一步理解
⑴在原电池中，称正极、负极，其中负极流出电子
⑵在电解池中，称阳极、阴极，其中阴极流入电子
⑶电解池的阳极与原电池的正极相连，电解池的阴极与原电池的负极相连
4、电极反应式与电解方程式的书写
书写电极反应，首先要搞清楚电极材料，然后分析溶液中离子情况，再根据阴、阳极放电的规律，得出相应的结论。

电解过程总反应方程式叫电解方程式(指电解时总的化学方程式或离子方程式)。

要正确书写电解方程式，首先要正确写出电极反应式，然后分析参加电极反应的离子来自何种物质，这样才能正确写出反应物、生成物，配平且在等号上方注明“电解”或“通电”。

书写的具体步骤：
⑴先查阳极电极材料和确定溶液中的离子种类
如用C电极电解CuSO4溶液：溶液中有CuSO4=Cu2++SO42—；H2O H++OH-。

溶液中存在Cu2+、H+、OH—、SO42—共4种离子。

⑵由放电顺序确定放电产物和电极反应
C电极为惰性电极，不参加反应。

放电能力 Cu2+＞H+ Cu2+放电生成Cu
OH—＞SO42—，OH—放电生成O2
电极反应：
阴极2Cu2++4e—=2Cu
阳极4OH—-4e—＝2H2O+O2↑
溶液中余下的H+和SO42—结合成新物质H2SO4。

⑶由电极反应产物，写出总反应式――电解方程式
如上述反应中的反应物为CuSO4和H2O，产物是Cu、O2和H2SO4，电解方程式为：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4
5、电离、水解和电解的比较
O
6、电离方程式、离子方程式和电极反应式、电解方程式的比较
”表示。

多元酸、碱分
-
NH4+OH NH3↑+H2O
O
O C
CH
O Ca
7、原电池、电解池和电镀池的比较
8、电解时电极放电顺序的判断
中学阶段我们一般只讨论电极材料的性质、离子的氧化性强弱和还原性强弱对它们得失电子能力的影响。

⑴阳极放电顺序
①看电极，如果是活性电极（指金属活动顺序表Ag及Ag以前的金属）则电极材料失电子，电极
被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。

②如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，则要再看溶液中的阴离子的失电子能力，此时根据阴离子放电
顺序加以判断。

阴离子放电顺序：
S2—＞I—＞Br—＞Cl—＞OH—＞含氧酸根＞F—（实际上在水溶液中的电解，OH—后面的离子是不可能放电的，因为水提供的OH—会放电）
⑵阴极放电顺序
阴极本身被保护，直接根据阳离子放电顺序进行判断，阳离子放电顺序：
Ag+＞Fe3+＞Cu2+＞Fe2+＞Zn2+＞H+＞Al3+＞Mg2+（类似，在水溶液中的电解，H+后面的离子一般是不放电的，因为水提供的H+会放电）
9、电解质溶液的电解规律（惰性电极）
10、电解质溶液电解时（均为惰性电极），pH变化情况，电解液复原所需加入物质及电解类型（与上面的9相互对照补充）
（1）分解水型：
含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐（如NaOH、H2SO4、K2SO4等）的电解。

阴极：4H++4e-=2H2↑
阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O
总反应：2H2O2H2↑+O2↑
阴极产物：H2；阳极产物：O2。

电解质溶液复原加入物质：H2O。

pH变化情况：原来酸性的溶液pH变小，原来碱性的溶液pH变大，强酸（含氧酸）强碱的正盐溶液pH不变。

（2）分解电解质型：
无氧酸（除HF外）、不活泼金属的无氧酸盐（氟化物除外）的电解，如HCl、CuCl2等。

阴极：Cu2++2e-=Cu
阳极：2Cl--2e-=Cl2↑
总反应：CuCl2Cu+Cl2↑
阴极产物：酸为H2，盐为金属；阳极产物：卤素等非金属单质。

电解液复原加入物质为原溶质，如电解CuCl2溶液，需加CuCl2。

pH变化情况：如电解无氧酸溶液pH变大但不会超过7；如为盐溶液的电解则视无氧酸根的情况而定（如：电解CuCl2溶液时，由于生成的Cl2溶于水产生的酸性强于Cu2+水解产生的酸性，所以pH下降；电解Na2S溶液时，由于生成NaOH使pH升高）。

（3）放氢生碱型：
活泼金属的无氧酸盐（氟化物除外）溶液的电解，如NaCl、MgBr2等。

阴极：2H++2e-=H2↑
阳极：2Cl--2e-=Cl2↑
总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
阴极产物：碱和H2；阳极产物：卤素等非金属单质。

电解饱和食盐水的产物分别为NaOH和H2以及Cl2。

电解液复原加入物质为卤化氢。

电解饱和食盐水，要使电解质溶液复原需加入HCl。

pH变化情况：电解液pH显着变大
（4）放氧生酸型：
不活泼金属的含氧酸盐溶液的电解，如CuSO4、AgNO3等。

阴极：2Cu2++4e-=Cu
阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O
总反应：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4
阴极产物：析出不活泼金属单质；阳极产物是该盐对应的含氧酸和氧气，本例中分别是Cu以及
H2SO4、O2。

电解液复原加入物质为不活泼金属的氧化物（金属价态与原盐中相同）。

如电解CuSO4溶液，复原需加入CuO。

pH变化情况：溶液pH显着变小。

吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别
电化腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀
条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强
正极反应O2 + 4e- + 2H2O == 4OH- 2H+ + 2e-==H2↑
负极反应Fe －2e-==Fe2+ Fe －2e-==Fe2+
腐蚀作用是主要的腐蚀类型，具有广泛性发生在某些局部区域内
吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别
11、电解原理的应用
⑴氯碱工业
如电解饱和食盐水可制得NaOH、Cl2、H2，而电解稀NaCl溶液可制备NaClO。

2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑
⑵电镀利用电解原理进行设计
电镀与一般的电解本质相同，但在电极材料、电极反应（是同种金属的得失电子，宏观上无新物质生成）、溶液浓度（电解过程浓度一般会发生变化，但电镀则不变）的变化等均有差别。

⑶精炼铜
⑷电解法冶炼金属
一些较活泼的金属常用电解的方法冶炼，如Na、Mg、Al等金属（这是因为这些金属的阳离子的氧化性很弱，难以找到经济实用的还原剂，从这个意义上看，电源的负极是最强的还原剂）。

二、铜的电解精炼
原理：电解时，用粗铜板作阳极，与直流电源的正极相连；用纯铜板作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液（加入一定量的硫酸）作电解液。

CuSO4溶液中主要有Cu2+、SO、H+、OH-，通电后H+和Cu2+移向阴极，并在阴极发生Cu2++2e-=Cu；OH-
和SO移向阳极，但阳极因为是活性电极故而阴离子并不放电，主要为阳极（活泼及较活泼金属）发生氧化反应而溶解，阳极反应：Cu-2e-=Cu2+。

电解过程中，比铜活泼的Zn、Fe、Ni等金属杂质，在铜溶解的同时也会失电子形成金属阳离子而溶解，此时阴极仍发生Cu2++2e-=Cu，这会导致电解液中硫酸铜的浓度不发生变化；Ag、Au不如Cu易失电子，Cu溶解时它们以阳极泥形式沉积下来，可供提炼Au、Ag等贵金属。

结论：该过程实现了提纯铜的目的。

三、电镀铜
电镀时，一般都是用含镀层金属离子的电解质溶液为电镀液；把待镀金属制成品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极，而用镀层金属为阳极，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，并在阴极上被还原成金属析出。

电镀铜规律可概括为“阳极溶解，阴极沉积，电解液不变”。

工业上电镀常使用有毒电镀液，因此电镀废水应回收有用物质、降低有害物质含量后，达标排放，以防污染环境。

四、电解的有关计算
1．计算的原则
(1)阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。

(2)串联电路中通过各电解池的电子总数相等。

(3)电源输出的电子总数和电解池中转移的电子
2．计算的方法
(1)根据电子守恒法计算：用于串连电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。

(2)根据总反应式计算：先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算
(3)根据关系式计算：根据得失电子守恒的关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。

电解计算时常用的定量关系为：
4e－～4H＋～4OH－～2H2～O2～2Cu～4Ag。

[尝试运用]将含有0.4 mol Cu(NO3)2和0.4 mol KCl的水溶液1 L，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2 g Cu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为(不考虑产生的气体在水中的溶解) ( B )
A．3.36 L B．5.6 L
C．6.72 L D．13.44 L
[解析] 阴极析出铜0.3 mol，由Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到0.6 mol电子，根据2Cl－－2e－===Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl2 0.2 mol，失去电子0.4 mol。

因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－===2H2O＋O2↑和电子守恒在阳极有0.05 mol O2放出，即阳极共放出0.25 mol标准状况下为5.6 L的气体。

【题后感悟】解答电解计算题的基本步骤：
(1)正确书写电极反应式(要特别注意阳极材料)。

(2)当溶液中有多种离子共存时，先要根据离子放电顺序确定离子放电的先后。

(3)根据得失电子守恒进行相关计算。

电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2O=====电解2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，离子方程式为2Cl－＋2H2O=====电解Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

电镀时把待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含镀层金属离子的溶液作电镀液，电镀时，镀层金属离子浓度保持不变。

电解精炼铜时，用纯铜作阴极、粗铜作阳极，用CuSO4溶液作电解液，精炼过程中，Cu2＋的浓度逐渐减小。

[典型例题剖析]
例1．用两支惰性电极插入500mL的AgNO3溶液中，通电电解。

当电解质溶液的pH由6.0变为3.0时（设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变化可以忽略），则电极上析出银的质量是（）
A．27mg
B．54mg
C．108mg
D．216mg
[分析]根据离子放电顺序，先写出两极的电极反应式：
阳极：4OH--4e-=O2↑+2H2O ①
阴极：4Ag++4e-=4Ag ②
其中OH-来自水，所以总的电解反应式：4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+
或4AgNO3+2H2O4Ag+ O2↑+4HNO3
因为有HNO3生成，所以pH要变小。

生成HNO3的物质的量为(10-3-10-6)×0.5≈0.5×10-3mol，所以析出银的质量为0.5×10-3mol×108g/mol=54mg
答案：B
例2．若在铁片上镀锌，以下叙述中错误的是（）
A．可把铁片与电源的正极相连
B．电解质必须用含有锌离子的可溶性盐
C．锌极发生氧化反应
D．铁极的电极反应式为Zn2++2e-=Zn
[分析]电镀的实质就是以非惰性电极为阳极的一种特殊的电解。

电镀时一般以镀层金属为电解池的阳极，待镀件为阴极，含镀层金属离子的电解溶液为电镀液。

电镀过程中镀层金属发生氧化反应而成为离子溶入电解液，其离子则在待镀件上发生还原反应而析出，且电解质溶液浓度一般不变。

故而本题只有A项不正确。

答案：A
例3．串联电路中的四个电解池分别装有0.1mol·L-1的下列溶液，用铂电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液的pH最小的是（）
A．CuCl2
B．NaCl
C．AgNO3
D．KNO3
[分析] 本题主要考查电解原理、离子放电顺序及电解后溶液pH变化等问题。

理解电解原理并熟悉掌握阴、阳离子的放电顺序是解本题的关键，在电解时，如果H+或OH-在电极上放电往往会导致电极附近溶液H+或OH-浓度发生改变，从而引起电极附近pH变化。

对于电解CuCl2溶液，尽管H+或OH-都没有在阴极或阳极上放电，但由于CuCl2是强酸弱碱盐，水解后溶液呈酸性，因此若CuCl2完全电解后，如果不考虑Cl2溶于水生成HCl和HClO，溶液呈中性，pH增大（实际上由于生成HCl、HClO，溶液呈微酸性）。

电解NaCl 溶液H+在阴极上放电，阴极附近OH-浓度增大；阳极上Cl-放电，阳极区域H+、OH-浓度基本不变，因而电解后整个溶液pH会变大，电解AgNO3溶液，阴极Ag+放电；阳极是OH-放电，阳极区域H+浓度变大，溶液pH 会显着变小（相当于生成稀HNO3）。

电解KNO3实质是电解水，pH不变。

答案：C
答案：B
例4． pH=a的某电解质溶液中，插入两支惰性电极通直流电一段时间后，溶液的pH>a，则该电解质可能是（）
A．NaOH
B．H2SO4
C．AgNO3
D．Na2SO4
答案：A
解析：用惰性电极Na2SO4溶液，pH不变，电解H2SO4溶液和AgNO3溶液，pH减小，故选A。

例5金属镍有广泛的用途。

粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是（已知：氧化性Fe2＋＜Ni2＋＜Cu2＋）（）
A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－＝Ni
B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋
D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt
答案：D
提示：根据电解精炼铜原理知，电解制备高纯度Ni时要用NiSO4做电解质溶液，且电解前后Ni2+浓度基。