1.2.4 电解池的工作原理学案 高二上学期化学人教版(2019)选择性必修1

专题1化学反应与能量变化
第二单元化学能与电能的转化
第4课时电解池的工作原理
学习目标
1．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。

2．充分利用电解熔融态氯化钠和电解饱和食盐水等案例素材，发展学生对电解池工作原理的认识。

3．能分析、解释电解池的工作原理，能设计简单的原电池和电解池。

核心素养
宏观辨识与微观探析：能根据电解池的构成条件辨识电解池装置，能分析电解池中能量转化及与物质性质的关系。

证据推理与模型认知：能认识和建构电解池的装置和工作原理的认知模型，并能说明模型使用的条件及适用范围。

知识梳理
一、电解池的工作原理及其构成条件
活动·探究
[实验]电解熔融态氯化钠
实验装置
及操作
容器中盛有熔融态氯化钠，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
实验现象通电后，在石墨片周围有黄绿色的气泡产生，在铁片周围有银白色金属生成
[思考交流]
1．装置中电子的流向及石墨电极、铁电极各带什么电荷？
2．通电前后Na＋、Cl－的移动方向有何不同？
3．如何解释实验现象？
4．通过上述实验，你能得出哪些结论？
5．如果将离子导体换为氯化铜溶液，又能观察到哪些实验现象？如何解释？
归纳·总结
1．电解
(1)概念：在直流电的作用下，在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。

(2)电解装置——电解池
①概念：将电能转变为化学能的装置。

②构成条件
a．两个电极：阳极——与电源正极连接；阴极——与电源负极连接。

b．电解质溶液或熔融电解质。

c．直流电源。

d．构成闭合回路。

③电解池中电子和离子的移动方向
a．电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，经过阴、阳离子的定向移动形成内电路；阳极上的物质失去电子，电子沿导线流向电源的正极。

因此，电解质溶液的电解过程就是电解质溶液的导电过程。

b．电解质电离产生的阴、阳离子在电流作用下定向移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。

2．电解池电极的判断
3．电解池的工作原理
4．电解产物的判断方法
(1)阳极产物的判断
先看电极再判断，如果是活性电极(除Au、Pt以外的金属电极是活性电极)，则电极材料失去电子，被溶解；如果是惰性电极(指石墨、Au、Pt等电极)，根据阴离子的放电顺序判断。

阴离子的放电顺序：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子>F－。

(2)阴极产物的判断
直接根据阳离子的放电顺序判断。

阳离子的放电顺序：
Ag＋>Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸)>Pb2＋>Sn2＋>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水)>Al3＋>Mg2＋>Na＋。

[名师点拨]
(1)电解时必须使用直流电源，不能使用交流电源。

(2)常见的惰性电极有石墨、铂(Pt)、金(Au)等电极，活性电极是指金属活动性顺序中Ag和Ag之前的金属。

(3)电解过程是化学变化，而金属的导电是物理变化；书写电解反应方程式要注明“电解”或“通电”这一反应条件。

(4)原电池装置和电解池装置的最大区别是有无外接直流电源，有外接直流电源的是电解池。

(5)解答电解类题目时首先判断阳极材料，确定是活性电极还是惰性电极，若为活性电极，则电极材料本身失去电子生成金属阳离子，而溶液中的所有阴离子不再放电；若为惰性电极，则按电解质溶液中阴离子的放电顺序放电。

巩固·练习
1．如图是电解熔融NaCl制备金属钠的装置示意图，下列有关判断正确的是()
A．通过该装置可以将化学能转变为电能
B．石墨电极为正极
C．Na＋在铁极上得到电子被还原为钠原子
D．铁电极为阳极
2．下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是()
二、酸、碱、盐溶液的电解规律
活动·探究
探究酸、碱、盐溶液的电解规律，实验装置如下：
[思考交流]
1．若X为H2SO4或NaOH或Na2SO4，试分析实际放电离子、实际电解对象。

2．若X为HCl或CuCl2，实际电解对象是什么？
3．若X为NaCl或KBr，阴极发生的电极反应有哪些特点？
4．若X为CuSO4或AgNO3，则阳极发生的电极反应有什么特点？
归纳·总结
电解后溶液的变化及恢复原组成的措施
[名师点拨]
1．对于电解质溶液复原的问题，不仅要求溶质不变，还要注意溶质的浓度也不变。

恢复电解质溶液，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则。

2．一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。

若两极产物分别是H2和Cl2，则应加入HCl气体而不是稀盐酸；若两极产物分别是Cu和O2，则加入CuO或CuCO3都可以使电解质溶液复原，因为CuCO3(可以写成CuO·CO2)在与酸反应时，生成的CO2气体会逸出，但不能加入Cu(OH)2和Cu2(OH)2CO3。

3．电解后溶液pH的变化规律
(1)电极区域
①当阴极是由H＋放电产生H2时，阴极区pH变大。

②当阳极是由OH－放电产生O2时，阳极区pH变小。

(2)电解质溶液
①电解过程中，既产生H2，又产生O2，实质是电解水，溶液浓度增大(饱和溶液除外)，故
原溶液若呈酸性，则pH变小；原溶液若呈碱性，则pH变大；原溶液若呈中性，则pH不变。

②电解过程中，无H2和O2产生，pH几乎不变。

③电解过程中，只产生H2，溶液中OH－浓度增大，pH变大。

④电解过程中，只产生O2，溶液中H＋浓度增大，pH变小。

[记忆口诀]
只放氢pH升，只放氧pH降；放氢放氧浓度增(饱和溶液除外)，无氢无氧自牺牲。

巩固·练习
1．用惰性电极实现电解，下列说法正确的是()
A．电解稀硫酸溶液，实质上是电解水，故溶液的pH不变
B．电解稀氢氧化钠溶液，要消耗OH－，故溶液的pH减小
C．电解Na2SO4溶液，在阴极上和阳极上析出的产物的物质的量之比为1∶2
D．电解CuCl2溶液，在阴极上和阳极上析出产物的物质的量之比为1∶1
2．用惰性电极电解下列溶液，一段时间后，再加入一定量的另一种物质(括号内物质)，能够使溶液恢复到原来的成分和浓度的是()
A．CuCl2(CuSO4) B．NaOH(NaOH)
C．NaCl(HCl) D．CuSO4[Cu(OH)2]
3．某溶液中含有NaCl和H2SO4两种溶质，它们的物质的量之比为3∶1。

用石墨作电极电解该混合溶液时，根据两极放电离子的来源不同，可明显分为三个阶段。

下列叙述不正确的是()
A．阴极自始至终只析出H2B．阳极先析出Cl2，后析出O2
C．电解的最后阶段为电解水D．溶液的pH不断增大，最后为7
能力提升
含有氰化物的废水危害极大，能毒杀各种鱼类和水生物。

c(CN－)在0.01～0.04 mg·L－1时，就有强烈的毒杀作用。

用如图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO －将CN－氧化为两种无污染的气体。

(1)若用石墨和铁作电极材料，哪者为阳极？哪者为阴极？
(2)如何书写阳极、阴极的电极反应式？
(3)写出除去CN－的离子反应方程式。

归纳·总结
电解池中方程式书写的3个关键点
(1)书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写电解反应方程式时，弱电解质一定要写成化学式。

(2)书写电极反应式时，首先根据题干要求及信息大胆写出反应物和生成物，然后根据“阴(极)得(e－)阳(极)失(e－)”加上得、失电子数目，最后根据电解质溶液酸碱性补上H＋、OH－或H2O，依据电荷守恒定律配平反应式。

(3)要确保两极得、失电子数目相等，且电解反应方程式注明条件“电解”或“通电”。

举一·反三
1．铝及铝合金经过阳极氧化，铝表面能生成几十微米厚的氧化铝膜。

某研究性学习小组模拟工业法对铝片表面进行氧化处理。

分别以铅片、铝片为电极，以硫酸为电解液，按照如图所示连接电解装置，电解40 min后取出铝片，用水冲洗，放在水蒸气中封闭处理20～30 min，即可得到更加致密的氧化膜。

下列有关说法正确的是()
A．电解时电子流向：电源正极→导线→铝极，铅极→导线→电源负极
B ．在电解过程中，H ＋
向阳极移动，SO 2－
4 向阴极移动
C ．在电解过程中，阳极周围溶液的pH 减小
D ．电解反应方程式：2Al ＋6H ＋=====通电2Al 3＋
＋3H 2↑
2．(1)工业上使用下图装置，采用石墨作电极电解Na 2CrO 4溶液，使Na 2CrO 4转化为Na 2Cr 2O 7，其转化原理为_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)CrO 3和K 2Cr 2O 7均易溶于水，它们是工业废水造成铬污染的主要原因。

要将Cr(Ⅵ)转化为Cr(Ⅲ)常见的处理方法是电解法。

将含Cr 2O 2－
7的废水通入电解槽内，用铁作阳极，在酸性环境中，加入适量的NaCl 进行电解，使阳极生成的Fe 2＋
和Cr 2O 2－
7发生反应，其离子方程式为
________________________________________________________________________。

阴极上Cr 2O 2－
7、H ＋
、Fe 3＋
都可能放电。

若Cr 2O 2－
7放电，则阴极的电极反应式为
________________________________________________________________________。

当堂检测
1．下列装置能构成电解池的是( )
2．利用如图装置电解硫酸铜溶液，下列说法正确的是( )
A．b电极上发生氧化反应
B．该装置能将化学能转变成电能
C．电解质溶液中Cu2＋从b电极向a电极迁移
D．若a为铜，则a的电极反应式为Cu－2e－===Cu2＋
3．用铂电极电解下列溶液时，阴极和阳极上的主要产物分别为H2和O2的是()
A．稀HCl溶液B．稀Na2SO4溶液
C．CuCl2溶液D．酸性AgNO3溶液
4．如图所示为在直流电源的作用下电解CuSO4溶液的装置，其中A、B为石墨电极，a、b 为电源的两极，当接通电源，通电一段时间后，将B电极取出，洗干净并干燥后称重，其质量增加了3.2 g，则：
(1)a电极为电源的________极。

(2)写出电极反应式：A极_________________________，B极______________________。

(3)若要使反应后的溶液恢复到原来状态，则应该加入________，加入________g。

参考答案
知识梳理
一、
活动·探究
[思考交流]
1．提示：电子由直流电源负极流向铁电极，铁电极带负电；石墨电极带正电，电子由石墨
电极流到电源正极。

2．提示：通电前作无规则运动，通电后定向移动，Na＋移向铁电极，Cl－移向石墨电极。

3．提示：(1)熔融态氯化钠中含有可自由移动的Na＋和Cl－。

(2)通电后离子的移动：Na＋移向铁电极；Cl－移向石墨电极。

(3)电极上发生的变化
铁电极：2Na＋＋2e－===2Na，
石墨电极：2Cl－－2e－===Cl2↑。

通电4．提示：在通直流电条件下，熔融的氯化钠发生了化学反应，分解生成钠和氯气：2NaCl=====
2Na＋Cl2↑。

5．提示：通电后，溶液中的Cu2＋移向铁电极(阴极)，优先于H＋在阴极上获得电子，被还原
为金属铜，故可观察到阴极上覆盖了一层红色固体物质；而阳极(石墨电极)上有气体产生，
经检验为Cl2，说明Cl－优先于OH－在阳极上失去电子被氧化而生成Cl2。

巩固·练习
1．【答案】C
【解析】该装置为电解池装置，可将电能转化为化学能，石墨电极作阳极，铁电极作阴极。

2．【答案】B
【解析】A项，该原电池中，锌失电子作负极，铜作正极，正极上氢离子放电生成氢气，不
符合题意；B项，该电解池中，阳极上铜失电子生成铜离子进入溶液，所以铜电极上不产生
气泡，符合题意；C项，该原电池中，铁失电子作负极，铜作正极，正极上氢离子放电生成
氢气，不符合题意；D项，该电解池中，阳极上银失电子发生氧化反应生成Ag＋，阴极上氢
离子放电生成氢气，不符合题意。

二、
活动·探究
[思考交流]
1．提示：阳极OH －放电，阴极H ＋
放电。

实际电解对象为H 2O 。

2．提示：实际电解对象分别为HCl 、CuCl 2。

3．提示：阴极均为H ＋放电，同时生成OH －。

4．提示：阳极均为OH －放电，同时生成H ＋。

巩固·练习
1．【答案】D
【解析】电解稀H 2SO 4溶液，实质是电解水，因溶剂减少，H 2SO 4浓度将增大，故溶液的pH 变小；电解稀NaOH 溶液，虽然OH －在阳极放电，但H ＋同时也在阴极放电， 其实质同样是电解水，溶液的浓度也将变大，故溶液的pH 变大；电解Na 2SO 4溶液，其实质也是电解水，在阴极和阳极分别析出H 2和O 2，二者的物质的量之比为 2∶1，而非 1∶2；电解CuCl 2溶液，在阴、阳两极上分别析出Cu 和Cl 2，二者的物质的量之比为1∶1。

2．【答案】C
【解析】A 中电解CuCl 2溶液时，损失了Cu 和Cl 两种元素，加入CuSO 4不能弥补Cl －，而且多了SO 2－4 ，错误；B 中电解NaOH 溶液的实质是电解水，故应加入适量水才能复原，错误；C 中电解NaCl 溶液时，NaOH 仍留在原溶液中，H 2、Cl 2逸出，则损失了H 、Cl 两种元素，且物质的量之比是1∶1，故应通入适量HCl 气体，正确；D 中电解CuSO 4溶液的化学
方程式为2CuSO 4＋2H 2O=====通电2Cu ＋2H 2SO 4＋O 2↑，脱离反应体系的物质是“2Cu 和O 2”，相
当于“2CuO”，故应加入适量CuO 或CuCO 3，错误。

3．【答案】D
【解析】由题意可知n (H ＋)∶n (Cl －)＝2∶3，在阴极H ＋放电，在阳极先是Cl －放电，然后是OH －放电；反应开始时H ＋、Cl －在两极放电，相当于电解HCl ；H 2SO 4电离出的H ＋放电完全后，在两极放电的是由水电离出的H ＋和剩余的Cl －，相当于电解NaCl 的水溶液；Cl －放电完全后，在两极放电的是由水电离出的H ＋和OH －，相当于电解水；随着电解的进行，溶液的pH 不断增大，但最后溶质是NaOH 和Na 2SO 4，所以溶液的pH 不为7。

能力提升
(1)提示：石墨为阳极，铁为阴极。

若铁作阳极，铁失电子生成Fe 2＋，则CN －无法除去，故铁只能作阴极。

(2)提示：阳极：Cl －＋2OH －－2e －===ClO －＋H 2O
阴极：2H 2O ＋2e －===H 2↑＋2OH －。

阳极Cl －放电生成ClO －，氯元素的化合价升高，故在阳极发生氧化反应，由题目知该溶液呈碱性。

阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应，在碱性条件下，H 2O 提供阳离子(H ＋)。

(3)提示：由于溶液是碱性条件，故除去CN －发生的反应为2CN －＋5ClO －＋H 2O===N 2↑＋2CO 2↑＋5Cl －＋2OH －。

举一·反三
1．【答案】C
【解析】从装置示意图分析，铝片为阳极，铅片为阴极，所以电解时电子的流向：电源负极→导线→铅极，铝极→导线→电源正极，A 错；电解过程中，阳离子向阴极移动，阴离子则
向阳极移动，B 错；根据题意知，电解反应方程式：2Al ＋3H 2O=====通电Al 2O 3＋3H 2↑，阳极的
电极反应式：2Al ＋3H 2O －6e －===Al 2O 3＋6H ＋，阳极周围溶液的pH 减小，C 对，D 错。

2．【答案】(1)阳极反应为2H 2O －4e －===O 2↑＋4H ＋，使c (H ＋)增大，从而导致反应2CrO 2－4＋2H ＋===Cr 2O 2－
7＋H 2O 发生 (2)Cr 2O 2－7＋6Fe 2＋＋14H ＋===2Cr 3＋＋6Fe 3＋＋7H 2O Cr 2O 2－
7＋6e －＋14H ＋===2Cr 3＋＋7H 2O 【解析】(2)酸性环境中阳极生成的Fe 2＋和Cr 2O 2－7 发生反应，其离子方程式为Cr 2O 2－
7＋ 6Fe 2＋＋14H ＋===2Cr 3＋＋6Fe 3＋＋7H 2O 。

阴极上若Cr 2O 2－
7 放电，则阴极的电极反应式为Cr 2O 2－
7＋6e －＋14H ＋===2Cr 3＋＋7H 2O 。

当堂检测
1．【答案】D
【解析】电解池是将电能转化为化学能的装置，必须有外接电源，同时有闭合电路，A 装置没有形成闭合电路，B 和C 没有外接电源，D 装置满足电解池的构成条件，故答案为D 。

2．【答案】D
【解析】b 与电源负极相连，b 为阴极，阴极上发生还原反应，A 项错误；该装置是电解池，将电能转化为化学能，B 项错误；电解池中，阳离子(Cu 2＋
)向阴极(b 极)移动，C 项错误；a 为阳极，若a 为Cu ，属于活性电极，则阳极发生的反应为Cu －2e －===Cu 2＋，D 项正确。

3．【答案】B
【解析】A项，电解稀HCl溶液，阴极产物为H2，阳极产物为Cl2，错误；B项，电解Na2SO4溶液，实际上是电解水，阴极产物为H2，阳极产物为O2，正确；C项，电解CuCl2溶液，阴极产物为Cu，阳极产物为Cl2，错误；D项，电解酸性AgNO3溶液，阴极产物为Ag，阳极产物为O2，错误。

4．【答案】(1)正(2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋2Cu2＋＋4e－===2Cu(3)CuO 4.0
【解析】B电极质量增加，则B电极为电解池的阴极，阴极发生还原反应，铜离子得到电子生成铜单质，阴极与电源的负极相连，因此b电极为电源的负极、a电极为电源的正极。

A电极为电解池的阳极，发生氧化反应，水失去电子生成氧气和氢离子。

应补充氧化铜使电解质溶液恢复到原来状态，阴极析出的铜的质量为3.2 g，而氧化铜中铜的质量分数为80%，因此需要补充的氧化铜的质量为4.0 g。