高中化学 第1章 化学反应与能量转化 1.2 电能转化为化学能——电解(第1课时)电解原理的应用学案

电解原理的应用
学习目标：
1.熟知电解饱和食盐水、电镀、电解精炼铜、电冶金的原理， 会写其电极反应式及化学方程式。

2.掌握电解的有关计算。

学习重难点：
电解方程式的书写及电解的计算 自主学习 【知识回顾】
1．用惰性电极电解氯化钾溶液，阴极反应式是2H ＋
＋2e －
===H 2↑，阳极反应式是2Cl －
－2e －
===Cl 2↑，电解的化学方程式是2KCl ＋2H 2O=====通电
2KOH ＋H 2↑＋Cl 2↑。

电解后溶液的pH 变化是增大；欲使电解后的溶液复原，需加入的物质是HCl 气体。

2．在硫酸铜溶液中，插入两个电极进行电解。

(1)若两极均为Pt 电极，则阳极反应式是4OH －
－4e －
===2H 2O ＋O 2↑，阴极反应式是2Cu 2＋
＋4e －
===2Cu ， 电解的化学方程式是2CuSO 4＋2H 2O=====通电
2Cu ＋O 2↑＋2H 2SO 4。

(2)若两极均为铜片，则阳极反应式是Cu －2e －
===Cu 2＋
，阴极反应式是Cu 2＋
＋2e －
===Cu ，电解过程中溶液的浓度变化是不变。

(3)若阳极为锌片，阴极为铜片，则阳极反应式是Zn －2e －
===Zn 2＋
，电解过程中两极的变化是阳极锌片不断溶解，阴极铜片质量不断增加。

【自主探究】
探究点一 电解原理的应用 1．电解饱和食盐水
(1)通电前，氯化钠溶液中含有的离子：Na ＋
、Cl －
、H ＋
、OH －。

通电时Na ＋
、H ＋
移向阴极，H ＋
放电，Cl －
、OH
－
移向阳极，Cl －
放电。

电极反应式为
阳极：2Cl －
－2e －
===Cl 2↑(氧化反应) 阴极：2H ＋
＋2e －
===H 2↑(还原反应) 因H ＋
放电，导致水的电离平衡H 2O H ＋＋OH －
向右移动，致使生成NaOH 。

(2)电解的总反应式
化学方程式：2NaCl ＋2H 2O=====通电
H 2↑＋Cl 2↑＋2NaOH ； 离子方程式：2Cl －＋2H 2O=====通电H 2↑＋Cl 2↑＋2OH －
； 工业上习惯把电解饱和食盐水叫做氯碱工业。

2．电解精炼铜
(1)粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质，常用电解的方法进行精炼。

其电解池的构成是用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用CuSO 4溶液作电解质溶液。

(2)电极反应式：阳极为Cu －2e －
===Cu 2＋
、Zn －2e －
===Zn 2＋
、Fe －2e －
===Fe 2＋
等，阴极为Cu 2＋
＋2e －
===Cu 。

(3)电解精炼铜的原理是粗铜中比铜活泼的金属Zn 、Fe 等失去电子，产生的阳离子残留在溶液中，不比铜活泼的金属Ag 、Au 等以金属单质的形式沉积在电解池的底部，形成阳极泥，粗铜中的铜迁移到纯铜上。

3．电镀
(1)根据图，回答下列问题： ①电极反应式
阳极：Cu －2e －
===Cu 2＋
； 阴极：Cu 2＋
＋2e －===Cu 。

②可观察到的现象是铁件表面镀上一层红色的铜，铜片不断溶解。

③硫酸铜溶液浓度的变化是不变。

(2)电镀
①电镀是应用电解原理，在金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。

②电镀池的构成：一般都是用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；把镀层金属浸入电镀液中与直流电源的正极相连，作为阳极；待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极。

[归纳总结]
(1)氯碱工业：用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取NaOH 、Cl 2、H 2，并以它们为原料生产一系列化工产品。

(2)电镀特点是阳极本身参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH 等保持不变。

(3)电解精炼中，比需要精炼的金属活泼的杂质溶解，而不比需要精炼的金属活泼的杂质会沉积(如精炼镍时Cu 也会沉积)。

[活学活用]
1．关于电解氯化钠水溶液(铁作阴极、石墨作阳极)，下列叙述正确的是( ) A ．若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液，溶液呈无色 B ．若在阳极附近的溶液中滴入KI 溶液，溶液呈棕黄色 C ．电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠
D ．电解一段时间后，将全部电解质溶液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性 【答案】B
【解析】电解食盐水时发生的反应：
阳极：2Cl －
－2e －
===Cl 2↑ 阴极：2H ＋
＋2e －
===H 2↑
总反应：2NaCl ＋2H 2O=====通电
2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑
对照分析选项，C 错误；阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl 2，滴加KI 溶液后发生反应：Cl 2＋2I －
===I 2＋2Cl －
，溶液呈棕黄色，B 正确；阴极附近产生大量的OH －
，滴加酚酞后附近溶液变红色，A 错误；电
解后生成NaOH ，溶液呈碱性，D 错误。

2．在铁制品上镀一层一定厚度的锌层，以下方案设计正确的是( ) A ．锌作阳极，镀件作阴极，溶液中含有锌离子 B ．铂作阴极，镀件作阳极，溶液中含有锌离子 C ．铁作阳极，镀件作阴极，溶液中含有亚铁离子 D ．锌作阴极，镀件作阳极，溶液中含有亚铁离子 【答案】A
【解析】本题考查的是电镀的原理。

电镀原理是镀层金属作阳极，镀件作阴极，含有镀层金属阳离子的电
解质溶液作电镀液。

探究点二 电解的有关计算
1．将两支惰性电极插入CuSO 4溶液中，通电电解。

(1)当有1.0×10－3
mol 的OH －
放电时，溶液显浅蓝色，则在阴极上析出铜的质量是__________。

(2)若溶液的体积为1 L ，忽略溶液体积变化，在标准状况下放出5.6 mL O 2时，溶液的pH 是________。

【答案】 (1)0.032 g (2)3
【解析】 (1)用惰性电极电解CuSO 4溶液时，电极反应为阴极：2Cu 2＋
＋4e －
===2Cu ，阳极：4OH －
－4e －
===O 2↑
＋2H 2O 。

当有1.0×10－3
mol 的OH －
放电时，生成标准状况下的O 2为5.6 mL ，此时转移电子为1.0×10
－3
mol ，则在阴极上析出Cu ：32×10－3
g 。

(2)阳极：
4OH －
－4e －
===2H 2O ＋O 2↑ 4 mol 1 mol n 5.6×10－3
L
22.4 L·mol
－1
n ＝1.0×10－3 mol ，消耗1.0×10－3 mol OH －，生成1.0×10－3 mol H ＋
则[H ＋
]＝1.0×10－3
mol 1 L
＝1.0×10－3 mol·L －1
pH ＝－lg[H ＋]＝－lg(1.0×10－3
)＝3。

2．用惰性电极电解0.1 L M(NO 3)x 的水溶液，当阴极上增重a g 时，在阳极上同时产生b L(标准状况)O 2，从而可知M 的相对原子质量是________，溶液的pH 是________(均用含有a 、b 、x 的代数式表示)。

【答案】5.6ax b －lg 25b
14
【解析】由于阴、阳两极转移电子的数目相同，则有
a g M ·x ＝
b L 22.4 L·mol －1×4，或由关系式x O 2～4M 得b
22.4
∶a M ＝x ∶4，均可解出M ＝5.6ax b g·mol －1。

又由O 2～4H ＋可知：[H ＋
]＝4×b 22.4 mol÷0.1 L＝2514
b mol·L －1
，则pH ＝－lg 25b 14。

[归纳总结]
有关电解的计算通常是求电解后某产物的质量、气体的体积、某元素的化合价、元素的相对原子质量、溶液的pH及物质的量浓度等。

不论哪种计算，均可概括为下列三种方法：
(1)得失电子守恒法计算：用于串联电路、通过阴、阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移
的电子数相等。

(2)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)关系式计算：借得失电子守恒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。

[活学活用]
3．把两支惰性电极插入500 mL AgNO3溶液中，通电电解。

当电解质溶液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出，且电解质溶液在电解前后体积变化可以忽略)，电极上应析出银的质量是( ) A．27 mg B．54 mg C．108 mg D．216 mg
【答案】B
【解析】由电子得失守恒知，e－～OH－～H＋～Ag，所以n(Ag)＝n(H＋)。

AgNO3溶液电解后产生酸，产生的H＋的物质的量可由pH差来计算：pH从6.0变为3.0，即[H＋]＝10－3mol·L－1，所以n(Ag)＝n(H＋)＝10－3 mol·L－1×0.5 L＝5×10－4 mol，m(Ag)＝n(Ag)×M＝5×10－4mol×108 g·mol－1＝0.054 g＝54 mg。

4．在100 mL H2SO4和CuSO4的混合液中，用石墨作电极进行电解，两极上均收集到2.24 L气体(标准状况下)，则原混合液中，Cu2＋的物质的量浓度为( )
A．1 mol·L－1B．2 mol·L－1
C．3 mol·L－1D．4 mol·L－1
【答案】A
【解析】分析电解H2SO4、CuSO4的混合液时阴、阳两极的电极反应可知，两极产生的气体分别为H2、O2各0.1 mol，O2是由OH－失去0.4 mol电子而得到，H2是由H＋得到0.2 mol电子而生成。

由电子得失守恒知，
还有0.2 mol电子是Cu2＋得到的，故Cu2＋的物质的量是0.1 mol，则Cu2＋的物质的量浓度为0.1 mol
100×10－3 L ＝1 mol·L－1。

【学习小结】
【自我检测】
1．下列描述中，不符合生产实际的是( ) A ．电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极 B ．电解法精炼粗铜，用纯铜作阴极
C ．电解饱和食盐水制烧碱，用涂镍碳钢网作阴极
D ．在镀件上电镀锌，用锌作阳极 【答案】A
【解析】电解池的阳极发生氧化反应、阴极发生还原反应。

电解熔融的Al 2O 3制Al 时，若用Fe 作阳极，会
发生反应Fe －2e －
===Fe 2＋
，Fe 2＋
移动到阴极上发生反应Fe 2＋
＋2e －
===Fe ，使得到的Al 不
纯。

2．某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液。

通电时， 为使Cl 2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置，则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是( ) A ．a 为正极，b 为负极；NaClO 和NaCl B ．a 为负极，b 为正极；NaClO 和NaCl C ．a 为阳极，b 为阴极；HClO 和NaCl D ．a 为阴极，b 为阳极；HClO 和NaCl 【答案】B
【解析】有关反应有2NaCl ＋2H 2O=====通电
2NaOH ＋H 2↑＋Cl 2↑，Cl 2＋2NaOH===NaCl ＋NaClO ＋H 2O ，因阳极生成
Cl 2，阴极生成NaOH ，为使二者充分作用，Cl 2应在下端产生，从而推知电源b 为正极，a 为负极，消毒液的主要成分是NaCl 、NaClO 。

3．利用电解法可将含有Fe 、Zn 、Ag 、Pt 等杂质的粗铜提纯，下列叙述正确的是( ) A ．电解时以精铜作阳极 B ．电解时阳极发生还原反应
C ．精铜连接电源负极，其电极反应式是Cu －2e －
===Cu 2＋
D ．电解后，电解槽底部会形成含少量Ag 、Pt 等金属的阳极泥 【答案】D
【解析】电解法精炼金属铜时，粗铜作阳极，失去电子逐渐溶解，Cu 2＋
得到电子后析出，附着在阴极上，故
精铜作阴极；在电解池中，阴极接电源的负极，发生还原反应，阳极接电源的正极，发生氧化反应，A 、B 、C 错误；越活泼的金属越易失去电子，故比铜活泼的Fe 、Zn 先失去电子，变成Fe 2＋
、Zn 2＋
进入溶液，然后是铜失去电子，变成Cu 2＋
进入溶液，因Ag 、Pt 等金属不如铜活泼，故在铜溶解后便沉淀在阳极底部成为阳极泥，D 正确。

4．如图所示的A 、B 两个电解池中的电极均为铂，在A 池中加入0.05 mol·L －1
的CuCl 2溶液，B 池中加入0.1 mol·L －1
的AgNO 3溶液，进行电解。

a 、b 、c 、d 四个电极上所析出物质的物质的量之比是( ) A ．2∶2∶4∶1
B ．1∶1∶2∶1
C ．2∶1∶1∶1
D ．2∶1∶2∶1
【答案】A
【解析】由电解规律可知：a 、c 为阴极，b 、d 为阳极。

a 极上析出Cu ，b 极上析出Cl 2，c 极上析出Ag ，d 极
上析出O 2。

由电子守恒可得出：2e －
～Cu ～Cl 2～2Ag ～12O 2，所以a 、b 、c 、d 四个电极上所析出物质的
物质的量之比为1∶1∶2∶1
2＝2∶2∶4∶1。

5．右图是电解氯化钠溶液(含酚酞)的装置。

有毒气体收集的装置省略没有画出，两电极均是惰性电极。

(1)a 电极的名称____________。

(2)电解过程中观察到的现象
______________________________________________________________。

(3)确定N 出口的气体最简单的方法是
________________________________________________________________________。

(4)电解总反应的离子方程式为
________________________________________________________________________。

(5)若将b 电极换成铁作电极，写出在电解过程中U 形管底部出现的现象
________________________________________________________________________。

【答案】(1)阴极 (2)两极均有气泡产生；a 极区溶液变成红色；b 极液面上气体变为黄绿色；b 极区溶液变为浅黄绿色
(3)用湿润的淀粉­KI 试纸检验，试纸变蓝的就是Cl 2 (4)2Cl －＋2H 2O=====通电Cl 2↑＋H 2↑＋2OH －
(5)底部有白色沉淀产生，很快变为灰绿色，最终变为红褐色
【解析】根据电子的流向，可以判断a 极的名称，a 极连接的是直流电源电子流出的一极，为负极，因此，
a 极是电解池的阴极；那么
b 极为阳极，产物为Cl 2，检验Cl 2的方法是用湿润的淀粉­KI 试纸；当将b 极改为铁电极时，铁失去电子变成阳离子进入溶液，与阴极放出H 2后剩余的OH －
结合，首先生成Fe(OH)2沉淀，然后沉淀转化为Fe(OH)3。