-新教材高中化學第四章化學反應與電能第二節(jié)第一課時電解原理學案新人教版選擇性必修

PAGEPAGE12第一課時電解原理明課程標準扣核心素養(yǎng)1.能分析、解釋電解池的工作原理，能設計簡單的電解池。2．認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用。1.宏觀辨識與微觀探析：能從宏觀與微觀相結合的角度認識電解池的工作原理，分析電極上放電的微粒并書寫電極反應式。2．證據推理與模型認知：利用電解池的理論模型、建立對電解池裝置系統(tǒng)分析的思維模板，并應用于實際問題的解決。eq\a\vs4\al(電解原理)1．實驗目的通過實驗認識電解池裝置及其工作原理，理解電能轉化為化學能的現象與應用。2．實驗裝置3．實驗步驟在U形管中注入質量分數為25%的CuCl2溶液，插入兩根石墨棒作電極，把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在與直流電源正極相連的石墨棒(與電源正極相連的電極叫陽極)附近。接通直流電源，觀察U形管內的現象和試紙顏色的變化。4．實驗現象陰極：石墨棒上覆蓋一層紅色固體；陽極：①有氣泡冒出并聞到刺激性氣味，②濕潤的碘化鉀淀粉試紙變?yōu)樗{色。[問題探討]1．通電前，CuCl2溶液中存在的離子有哪些？提示：CuCl2=Cu2＋＋2Cl－，H2OH＋＋OH－，故溶液中存在的離子有Cu2＋、H＋、Cl－、OH－。2．陽極石墨棒上產生的氣體能使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊兯{，說明產生的氣體是什么？寫出電極反應式并判斷發(fā)生反應的類型(氧化反應或還原反應)。提示：說明產生的氣體是Cl2；陽極反應式為2Cl－－2e－=Cl2↑，發(fā)生氧化反應。3．陰極石墨棒上覆蓋了一層紅色固體物質，該物質是什么？寫出電極反應式并判斷發(fā)生反應的類型(氧化反應或還原反應)。提示：該固體物質為Cu；陰極反應式為Cu2＋＋2e－=Cu，發(fā)生還原反應。4．通電后，CuCl2溶液中陰、陽離子的遷移方向及電子運動的方向是什么？寫出電解CuCl2溶液的總化學方程式。提示：電解時，Cl－(陰離子)向陽極移動，Cu2＋(陽離子)向陰極移動；電子從電源的負極流向電解池陰極，從電解池陽極流回電源的正極，電解總反應：CuCl2eq\o(=,\s\up7(電解))Cu＋Cl2↑。5．在氯化銅溶液中除了Cu2＋和Cl－之外還有H＋和OH－，這兩種離子為什么沒有得到或失去電子？提示：電解時，溶液中離子的放電先后順序與離子的氧化性或還原性有關，氧化性強的陽離子先得電子被還原，還原性強的陰離子先失電子被氧化。Cu2＋比H＋更容易得電子，而Cl－比OH－更容易失電子，可從氧化性強弱的角度比較得電子的順序，從還原性強弱的角度比較失電子的順序。1．電解(1)概念：使電流通過電解質溶液(或熔融電解質)而在陽極、陰極引起氧化還原反應的過程。(2)電解裝置——電解池①概念：將電能轉化為化學能的裝置。②構成條件a．兩個電極：陽極——與電源正極連接；陰極——與電源負極連接。b．電解質溶液或熔融電解質。c．直流電源。d．構成閉合回路。③電解池中電子和離子的移動方向a．電子從電源的負極沿導線流入電解池的陰極，經過陰、陽離子的定向移動形成內電路；陽極上物質失去電子，電子沿導線流向電源的正極。因此，電解質溶液的電解過程就是電解質溶液的導電過程。b．電解質電離產生的陰、陽離子在電流作用下定向移動，陰離子移向陽極，陽離子移向陰極。2．電解池電極的判斷3．電解池的工作原理[名師點撥](1)電解時必須使用直流電源，不能使用交流電源。(2)常見的惰性電極指石墨、鉑(Pt)、金(Au)，活性電極是指金屬活動性順序中Ag和Ag之前的金屬。(3)電解過程是化學變化，而金屬的導電是物理變化；書寫電解總反應時要注明“電解”或“通電”這一反應條件。(4)原電池裝置和電解池裝置的最大區(qū)別是看有無外接直流電源，有外接直流電源的是電解池。(5)解答電解類題目時首先判斷陽極材料，確定是活性電極還是惰性電極，若為活性電極，則電極材料本身失去電子生成金屬陽離子，而溶液中所有陰離子不再放電；若為惰性電極，則按電解質溶液中陰離子的放電順序放電。1．下列關于電解池的敘述中正確的是()A．與電源正極相連的是電解池的陰極B．與電源負極相連的是電解池的陰極C．在電解池的陽極發(fā)生還原反應D．電子從電源的負極沿導線流向正極解析：選B與電源正極相連的是電解池的陽極，故A不正確；與電源負極相連的是電解池的陰極，故B正確；陽極發(fā)生氧化反應，故C不正確；在電解池中，電子從電源的負極沿導線流入電解池的陰極，故D不正確。2．下列各裝置中，在銅電極上不能產生氣泡的是()解析：選BA項，該原電池中，鋅失電子作負極，銅作正極，正極上氫離子放電生成氫氣，不符合題意；B項，該電解池中，陽極上銅失電子生成銅離子進入溶液，所以銅電極上不產生氣泡，符合題意；C項，該原電池中，鐵失電子作負極，銅作正極，正極上氫離子放電生成氫氣，不符合題意；D項，該電解池中，Ag為陽極，Cu為陰極，陽極上銀失電子發(fā)生氧化反應，陰極上氫離子放電生成氫氣，不符合題意。3.如圖是電解熔融NaCl制備金屬鈉的裝置示意圖，下列有關判斷正確的是()A．通過該裝置可以將化學能轉化為電能B．石墨電極為正極C．Na＋在鐵極上得到電子被還原為鈉原子D．鐵電極為陽極解析：選C該裝置為電解裝置，可將電能轉化為化學能，石墨電極作陽極，鐵電極為陰極。eq\a\vs4\al(電極產物的判斷和電極反應式的書寫)為探究電解的放電規(guī)律及電極產物，進行如下實驗：序號陽極材料陰極材料電解質陽極產物陰極產物①石墨石墨0.1mol·L－1CuCl2溶液Cl2Cu②石墨石墨0.1mol·L－1NaCl溶液Cl2H2③石墨石墨0.2mol·L－1CuSO4溶液O2Cu④銅石墨0.2mol·L－1CuSO4溶液Cu2＋Cu⑤石墨石墨熔融NaClCl2Na[問題探討]1．對比①②，Cu2＋、Na＋、H＋在陰極的放電順序是怎樣的？提示：Cu2＋＞H＋＞Na＋，①中陽離子有Cu2＋、H＋，陰極產物是Cu，放電順序是Cu2＋＞H＋；②中陽離子有Na＋、H＋，陰極產物是H2，放電順序是H＋＞Na＋，故放電順序為Cu2＋＞H＋＞Na＋。2．根據以上實驗，你能否判斷SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))、Cl－、OH－在陽極的放電順序？提示：能。由①可知陰離子放電順序是Cl－＞OH－，而由③可知陰離子放電順序是OH－＞SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))，故三者的放電順序為Cl－＞OH－＞SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))。3．對比③和④，你可得出什么結論？提示：銅作陽極時，銅失電子發(fā)生氧化反應，溶液中的Cl－不再放電。4．用電解法制取金屬鈉，只能用熔融態(tài)NaCl，不能用NaCl水溶液，該觀點正確嗎？提示：正確。由⑤可知電解熔融NaCl可得金屬鈉，由②知在水溶液中，放電順序為H＋＞Na＋，故電解NaCl溶液得不到金屬鈉。1．電解產物的判斷(1)陽極產物的判斷首先看電極，如果是活性電極(金屬活動性順序表Ag以前的金屬)，則電極材料失電子，電極溶解，溶液中的陰離子不能失電子。如果是惰性電極(Pt、Au、石墨)，則看溶液中的陰離子的失電子能力。此時根據陰離子放電順序加以判斷(放電順序即為得、失電子能力順序)。陽極上陰離子的放電順序：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do1(3))>SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))>F－。即：活性陽極(金屬)>無氧酸根離子>OH－>含氧酸根離子>F－。注意：在溶液中含氧酸根離子不放電，常指最高價(中心原子)含氧酸根離子不放電，但非最高價(中心原子)含氧酸根離子的放電能力比OH－的強，如SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(3))、MnOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))等。(2)陰極產物的判斷陰極陽離子的放電順序陽離子的放電順序基本上符合金屬活動性順序，在陽離子放電能力由強到弱排列時，一般將H＋的位置放在Cu2＋之后。但在電鍍條件下，H＋的位置放在Zn2＋之后，Fe2＋、Zn2＋與H＋順序顛倒，即在水溶液中Fe2＋、Zn2＋的得電子能力比H＋強，可認為是由水電離產生的c(H＋)很小之故。2．電解后溶液的變化及恢復原組成的措施類型電極反應特點實例電解對象電解質溶液濃度變化pH電解質溶液復原電解水型陰極：4H＋＋4e－=2H2↑陽極：4OH－－4e－=2H2O＋O2↑NaOHH2O增大增大加水H2SO4H2O增大減小加水Na2SO4H2O增大不變加水電解質分解型電解質電離出的陰、陽離子分別在兩極放電HCl電解質減小增大通HClCuCl2電解質減小增大加CuCl2放氫生堿型陰極：H2O放出H2生成OH－陽極：電解質陰離子放電KCl電解質和水生成新電解質增大通HCl放氧生酸型陰極：電解質陽離子放電陽極：H2O放出O2生成H＋CuSO4電解質和水生成新電解質減小加CuO或CuCO31．用鉑電極電解下列溶液時，陰極和陽極上的主要產物分別為H2和O2的是()A．稀HCl溶液 B．稀Na2SO4溶液C．CuCl2溶液 D．酸性AgNO3溶液解析：選BA項，電解稀HCl溶液，陰極產物為H2，陽極產物為Cl2，錯誤；B項，電解Na2SO4溶液，實際上是電解水，陰極產物為H2，陽極產物為O2，正確；C項，電解CuCl2溶液，陰極產物為Cu，陽極產物為Cl2，錯誤；D項，電解酸性AgNO3溶液，陰極產物為Ag，陽極產物為O2，錯誤。2．從H＋、K＋、Cu2＋、Cl－、SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))中選取適當的離子組成符合下列情況的電解質，進行電解(陽離子只能使用一次)。(1)以碳棒為電極進行電解，電解質的物質的量減少，水的物質的量保持不變，兩極都有氣體生成，氣體體積相同，則該電解質的化學式為______________，電解的陰極反應式為______________________，電解的陽極反應式為________________________，電解的總方程式是____________________________。(2)以鉑絲為電極進行電解，水的物質的量減小，電解質的物質的量保持不變，兩極都有氣體生成，氣體體積比為2∶1，則該電解質的化學式為__________________，陰極反應式為____________________________，陽極反應式為______________________________。(3)以惰性電極電解，電解質的物質的量減少，水的物質的量也減少，pH下降，則電解質的化學式為__________，電解的總方程式為________________________________________________________________________。解析：(1)以碳棒為電極進行電解，電解質的物質的量減少，水的物質的量保持不變，兩極都有氣體生成，氣體體積相同，則該電解質的化學式為HCl，電解的陰極反應式為2H＋＋2e－=H2↑，電解的陽極反應式為2Cl－－2e－=Cl2↑，電解的總方程式是2HCleq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())H2↑＋Cl2↑。(2)以鉑絲為電極進行電解，水的物質的量減少，電解質的物質的量保持不變，兩極都有氣體生成，氣體體積比為2∶1，則該電解質為活潑金屬的含氧酸鹽，其化學式為K2SO4，陰極H＋得到電子，電極反應式為4H＋＋4e－=2H2↑，OH－在陽極失去電子，電極反應式為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑。(3)以惰性電極電解，電解質的物質的量減少，水的物質的量也減少，pH下降，則電解質為不活潑金屬的含氧酸鹽，化學式為CuSO4，電解的總方程式為2CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())2Cu＋O2↑＋2H2SO4。答案：(1)HCl2H＋＋2e－=H2↑2Cl－－2e－=Cl2↑2HCleq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())H2↑＋Cl2↑(2)K2SO44H＋＋4e－=2H2↑4OH－－4e－=2H2O＋O2↑(3)CuSO42CuSO4＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(電解),\s\do5())2Cu＋O2↑＋2H2SO4eq\a\vs4\al(歸納與論證能力)含有氰化物的廢水危害極大，能毒殺各種魚類和水生物。c(CN－)在0.01～0.04mg·L－1時，就有強烈的毒殺作用。用如圖所示裝置除去含CN－、Cl－廢水中的CN－時，控制溶液pH為9～10，陽極產生的ClO－將CN－氧化為兩種無污染的氣體。(1)若用石墨和鐵作電極材料，哪者為陽極？哪者為陰極？提示：石墨為陽極，鐵為陰極。若鐵作陽極，鐵失電子生成Fe2＋，則CN－無法除去，故鐵只能作陰極。(2)如何書寫陽極、陰極的電極反應式？提示：陽極：Cl－＋2OH－－2e－=ClO－＋H2O陰極：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－。陽極Cl－放電生成ClO－，氯元素的化合價升高，故在陽極發(fā)生氧化反應，由題目知該溶液呈堿性。陽離子在電解池的陰極得電子發(fā)生還原反應，在堿性條件下，H2O提供陽離子(H＋)。(3)寫出除去CN－的離子反應方程式。提示：由于溶液是堿性條件，故除去CN－發(fā)生的反應為2CN－＋5ClO－＋H2O=N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋2OH－。電解池中方程式書寫的3個關鍵點(1)書寫電解池中電極反應式時，一般以實際放電的離子表示，但書寫電解反應方程式時，弱電解質一定要寫成化學式。(2)書寫電極反應式時，首先根據題干要求及信息大膽寫出反應物和生成物，然后根據“陰(極)得(e－)陽(極)失(e－)”加上得、失電子數目，最后根據電解質溶液酸堿性補上H＋、OH－或H2O，依據電荷守恒定律配平反應式。(3)要確保兩極得、失電子數目相等，且電解反應方程式注明條件“電解”或“通電”。1.鋁及鋁合金經過陽極氧化，鋁表面能生成幾十微米厚的氧化鋁膜。某研究性學習小組模擬工業(yè)法對鋁片表面進行氧化處理。分別以鉛片、鋁片為電極，以硫酸為電解液，按照如圖所示連接電解裝置，電解40min后取出鋁片，用水沖洗，放在水蒸氣中封閉處理20～30min，即可得到更加致密的氧化膜。下列有關說法正確的是()A．電解時電子流向：電源正極→導線→鋁極，鉛極→導線→電源負極B．在電解過程中，H＋向陽極移動，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向陰極移動C．在電解過程中，陽極周圍溶液的pH減小D．電解反應方程式：2Al＋6H＋eq\o(=,\s\up7(通電))2Al3＋＋3H2↑解析：選C從裝置示意圖分析，鋁片為陽極，鉛片為陰極，所以電解時電子的流向：電源負極→導線→鉛極，鋁極→導線→電源正極，A錯；電解過程中，陽離子向陰極移動，陰離子則向陽極移動，B錯；根據題意知，電解反應方程式：2Al＋3H2Oeq\o(=,\s\up7(通電))Al2O3＋3H2↑，陽極的電極反應式：2Al＋3H2O－6e－=Al2O3＋6H＋，陽極周圍溶液的pH減小，C對，D錯。2．(1)工業(yè)上使用下圖裝置，采用石墨作電極電解Na2CrO4溶液，使Na2CrO4轉化為Na2Cr2O7，其轉化原理為__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)CrO3和K2Cr2O7均易溶于水，它們是工業(yè)廢水造成鉻污染的主要原因。要將Cr(Ⅵ)轉化為Cr(Ⅲ)常見的處理方法是電解法。將含Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))的廢水通入電解槽內，用鐵作陽極，在酸性環(huán)境中，加入適量的NaCl進行電解，使陽極生成的Fe2＋和Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))發(fā)生反應，其離子方程式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________。陰極上Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))、H＋、Fe3＋都可能放電。若Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))放電，則陰極的電極反應式為________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(2)酸性環(huán)境中陽極生成的Fe2＋和Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))發(fā)生反應，其離子方程式為Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O。陰極上若Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))放電，則陰極的電極反應式為Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2O。答案：(1)陽極反應為2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，使c(H＋)增大，從而導致反應2CrOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))＋2H＋=Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋H2O發(fā)生(2)Cr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6Fe2＋＋14H＋=2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2OCr2Oeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(7))＋6e－＋14H＋=2Cr3＋＋7H2O[分級訓練·課課過關]_________________________________________________1．下列關于原電池和電解池的敘述正確的是()A．原電池中失去電子的電極為正極B．原電池的負極、電解池的陽極都發(fā)生氧化反應C．原電池的兩極一定是由活動性不同的兩種金屬組成的D．電解時電解池的陽極一定是陰離子放電解析：選B原電池中失電子的電極為負極，得電子的電極為正極，A項錯誤；原電池的負極、電解池的陽極上都是失電子，發(fā)生氧化反應，B項正確；原電池的兩極可能是金屬和導電的非金屬材料，如石墨，C項錯誤；電解時，在陽極放電的也可能作陽極材料的金屬，D項錯誤。2.如圖所示是電解CuCl2溶液的裝置，其中c、d為石墨電極。則下列有關判斷正確的是()A．a為負極、b為正極B．a為陽極、b為陰極C．電解過程中，c電極質量增加D．電解過程中，氯離子濃度減小解析：選D電流從電源的正極流出，因此a為電源正極，b為負極，則c為陽極，d為陰極，故A項、B項錯誤；電解CuCl2溶液，陽極(c電極)電極反應為：2Cl－－2e－=Cl2↑，陰極(d電極)：Cu2＋＋2e－=Cu，故C項錯誤；電解總反應：CuCl2eq\o(=,\s\up7(電解))Cu＋Cl2↑，溶液中Cl－濃度減小，D正確。3．實驗室用惰性電極電解稀硫酸，下列有關描述中，正確的是()A．電解時，電源的正極與電解池的陰極相連B．電解過程中，溶液的pH增大C．電解過程中，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))向陰極移動D．電解時，陰極反應是2H＋＋2e－=H2↑解析：選D電解時，與電源正極相連的是電解池的陽極，故A錯誤；實驗室用惰性電極電解稀硫酸，陽極的電極反應為4OH－－4e－=2H2O＋O2↑，陰極的電極反應為2H＋＋2e－=H2↑，則電解稀硫酸其實質就是電解水，隨著電解的進行，水的量不斷減少，H2SO4濃度增大，c(H＋)增大，pH下降，故B錯誤；在電解池中，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極，所以SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do1(4))在電解過程中向陽極移動，故C錯誤；電解時，陰極氫離子發(fā)生得電子的還原反應，即陰極的電極反應為2H＋＋2e－=H2↑，故D正確。4．常溫下，NCl3是一種黃色黏稠狀液體，是制備新型水消毒劑ClO2的原料，可以采用如圖所示裝置制備NCl3。下列說