第12讲 电解池 -【暑假弯道超车】2023年新高二化学暑假讲义、习题（原卷版）

学而优教有方第12讲电解池1.宏观辨识与微观探析：从宏观和微观的角度理解电解池中电子的移动、阴阳离子的移动、阴阳两极上的反应及其变化、电流形成的过程和原理。2.证据推理与模型认知：建立对电解过程的系统分析认识的思维模型，理解电解的规律，会判断电解的产物，会书写电解的电极反应式和总反应式。建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用。3.变化观念与平衡思想：通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜、电冶金等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化。一、电解原理1.电解和电解池(1)电解：在电流作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。(2)电解池：电能转化为化学能的装置。(3)电解池的构成①有与电源相连的两个电极。②电解质溶液(或熔融电解质)。③形成闭合回路。2.电解池的工作原理(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl2溶液为例)总反应式：CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解))Cu＋Cl2↑(2)电解过程的三个流向①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源的正极；②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极。③电流方向：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→阴极→负极。3.电极产物判断(1)阳极产物的判断①活性电极(除Au、Pt以外的金属材料作电极)，电极材料失电子，生成金属阳离子。②惰性电极(Pt、Au、石墨)，要依据阴离子的放电顺序加以判断。阴离子的放电顺序：活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放电，则得到H2O和O2。(2)阴极产物的判断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＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋。①若金属阳离子(Fe3＋除外)放电，则得到相应金属单质；若H＋放电，则得到H2。②放电顺序本质遵循氧化还原反应的优先规律，即得(失)电子能力强的离子先放电。4.电极反应式、电解方程式的书写(1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。(2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴离子、阳离子两组(不要忘记水溶液中的H＋和OH－)。(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序：阴极：阳离子放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca2＋＞K＋。阳极：活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。(4)分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。(5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式，并注明“电解”条件。【特别提醒】①阴极不管是什么材料，电极本身都不反应，一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电，注意离子导体(电解质)是水溶液还是非水状态。②阳极材料不同，电极产物、电极反应式可能不同，最常用、最重要的放电顺序为阳极：Cl－>OH－；阴极：Ag＋>Cu2＋>H＋。③电解水溶液时，K＋～Al3＋不可能在阴极放电，即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。④书写电解池中的电极反应式时，要以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式。⑤电解质溶液中未参与放电的离子是否与放电后生成的离子发生反应(离子共存)。⑥要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。5.阴、阳极的判断方法(1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。(2)根据电流方向:从阴极流出,从阳极流入。(3)根据电子流向:从阳极流出,从阴极流入。(4)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。(5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O2(或阳极区酸性增强)或Cl2;阴极——析出金属、逸出H2(或阴极区碱性增强)。(6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。6.用惰性电极电解电解质溶液的规律(1)电解溶剂水型电解质类型电极反应式及总反应式电解质溶液浓度溶液pH电解质溶液复原含氧酸，如H2SO4阴极：4H2O＋4e－=2H2↑＋4OH－阳极：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋总反应式：2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑增大减小加水可溶性强碱，如NaOH增大活泼金属含氧酸盐，如KNO3不变(2)电解溶质型电解质类型电极反应式及总反应式电解质溶液浓度溶液pH电解质溶液复原无氧酸，如HCl阴极：2H＋＋2e－=H2↑阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑总反应式：2HCleq\o(=,\s\up7(电解))H2↑＋Cl2↑减小增大通入HCl气体不活泼金属无氧酸盐，如CuCl2阴极：Cu2＋＋2e－=Cu阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑总反应式：CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解))Cu＋Cl2↑加入CuCl2固体(3)电解溶质和溶剂水型，生成H2和碱（析氢生碱型）：电解质(水溶液)电极反应式及总反应式电解质浓度溶液pH溶液复原活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑阴极：2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－总反应式：2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))Cl2↑＋H2↑＋2OH－生成新电解质增大通入HCl气体(4)电解溶质和溶剂水型，生成O2和酸（放氧生酸型）电解质(水溶液)电极反应式及总反应式电解质浓度溶液pH溶液复原不活泼金属的含氧酸盐[如CuSO4]阳极：2H2O－4e－=O2↑＋4H＋阴极：2Cu2＋＋4e－=2Cu总反应式：2Cu2＋＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))2Cu＋O2↑＋4H＋生成新电解质减小加CuO或CuCO37．电解后溶液的复原规律用惰性电极电解下列酸、碱、盐溶液，请填写下表：(1)电解H2O型电解质H2SO4NaOHNa2SO4阳极反应式4OH－－4e－O2↑＋2H2O阴极反应式4H＋＋4e－2H2↑pH变化减小增大不变复原加入物质加入H2O(2)电解电解质型电解质HClCuCl2阳极反应式2Cl－－2e－Cl2↑阴极反应式2H＋＋2e－H2↑Cu2＋＋2e－CupH变化增大复原加入物质加入HCl加入CuCl2(3)电解质和水都发生电解型电解质NaClCuSO4阳极反应式2Cl－－2e－Cl2↑2H2O－4e－O2↑＋4H＋阴极反应式2H2O＋2e－H2↑＋2OH－2Cu2＋＋4e－2CupH变化增大减小复原加入物质加入HCl加入CuO或CuCO3【特别提醒】电解后溶液的复原，从溶液中放出的气体和生成的沉淀，按照原子个数比组成具体物质再加入溶液即可。遵循“少什么加什么，少多少加多少”的原则。二、氯碱工业烧碱、氯气都是重要的化工原料，习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。1．电解饱和食盐水的原理通电前：溶液中的离子是Na＋、Cl－、H＋、OH－。通电后：①移向阳极的离子是Cl－、OH－，Cl－比OH－容易失去电子，被氧化成氯气。阳极：2Cl－－2e－Cl2↑(氧化反应)。②移向阴极的离子是Na＋、H＋，H＋比Na＋容易得到电子，被还原成氢气。其中H＋是由水电离产生的。阴极：2H2O＋2e－H2↑＋2OH－(还原反应)。③总反应：化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))H2↑＋Cl2↑＋2NaOH；离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解))H2↑＋Cl2↑＋2OH－。2．氯碱工业生产流程工业生产中，电解饱和食盐水的反应在离子交换膜电解槽中进行。①阳离子交换膜电解槽②阳离子交换膜的作用：只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过，可以防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量。3．氯碱工业产品及其应用(1)氯碱工业产品主要有NaOH、Cl2、H2、盐酸、含氯漂白剂。(2)电解饱和食盐水为原理的氯碱工业产品在有机合成、造纸、玻璃、肥皂、纺织、印染、农药、金属冶炼等领域中广泛应用。三、电镀与电解精炼电镀电解精炼铜示意图电极反应阳极Cu－2e－=Cu2＋Zn－2e－=Zn2＋，Cu－2e－=Cu2＋阴极Cu2＋＋2e－=CuCu2＋＋2e－=Cu电解质溶液的浓度变化CuSO4溶液的浓度不变CuSO4溶液的浓度变小【特别提醒】电解精炼铜时，阳极质量减小，阴极质量增加，溶液中的Cu2＋浓度减小。粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金等)，在阳极难以失去电子，当阳极上的铜失去电子变成离子之后，它们以金属单质的形式沉积于电解槽的底部，成为阳极泥。四、电冶金电解冶炼冶炼钠冶炼镁冶炼铝电极反应阳极：2Cl－－2e－=Cl2↑阴极：2Na＋＋2e－=2Na阳极：2Cl－2e－=Cl2↑阴极：Mg2＋＋2e－=Mg阳极：6O2－－12e－=3O2↑阴极：4Al3＋＋12e－=4Al总反应2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))2Na＋Cl2↑MgCl2(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))Mg＋Cl2↑2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解))4Al＋3O2↑【特别提醒】(1)氯碱工业所用的饱和食盐水需要精制，除去NaCl中混有的Ca2＋、Mg2＋、SOeq\o\al(2－,4)。(2)电镀铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)不变；电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)减小。(3)电解熔融MgCl2冶炼镁，而不能电解MgO冶炼镁，是因为MgO的熔点很高；电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，是因为AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。五、电化学有关计算1.计算依据——三个相等(1)同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等。(2)同一电解池的阴极、阳极电极反应中得、失电子数相等。(3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数相等计算。2.计算方法——三种常用方法(1)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出比例式计算。(2)根据电子守恒计算①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。②用于混合溶液中分阶段电解的计算。(3)根据关系式计算根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁，构建计算所需的关系式。如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:4e-~QUOTE(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。提示：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19C来计算电路中通过的电量。考点一电解及其装置例1．以纯碱溶液为原料，通过电解的方法可制备小苏打，原理装置图如下：

上述装置工作时，下列有关说法正确的是A．乙池电极接电池正极，气体X为H2B．Na+由乙池穿过交换膜进入甲池C．甲池中只发生反应：D．NaOH溶液Z的浓度比NaOH溶液Y的小考点二电解规律及其应用例2．室温下，用惰性电极电解下列物质的稀溶液，其中pH增大的是A．NaOH B． C． D．考点三电解原理应用例3．下列关于电解原理应用的说法错误的是A．氯碱工业的电解槽需使用阳离子交换膜隔开两极产物B．在铁上镀铜时，铁作阴极C．钠、镁、铝均可通过电解其熔融氯化物的方法冶炼得到D．电解精炼铜一段时间，电解质溶液中c(Cu2+)略减小考点四电解的有关计算例4．按照要求回答下列问题：(1)通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2，电解示意图如图(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过，电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。①电极B发生的电极反应式为______。②电解一段时间后溶液中Mn2+浓度______(填“增大”“减小”或“不变”)。(2)用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如图所示(电极材料均为石墨)。①图中A口产生的气体为______，B口流出的物质是______。②b电极表面发生的电极反应式为______。(3)Co是磁性合金的重要材料，也是维生素的重要组成元素。工业上可用如图装置制取单质Co并获得副产品盐酸(A、B均为离子交换膜)。①A为______(填“阳”或“阴”)离子交换膜。②该电解池的总反应离子方程式为______。③若产品室中阴极质量增加11.8g，则产品室增加的HCl的物质的量为______。1．如图所示，能实现电能转化为化学能的是A．锌锰干电池 B．火力发电厂C．太阳能电池 D．六角螺栓镀铜2．下列说法正确的是A．粗铜精炼时，纯铜做阳极B．在铁制品上镀银时，铁制品作阴极，硝酸银溶液作电镀液C．铁的吸氧腐蚀过程中正极反应为：D．电解饱和溶液，可制得金属钠3．通过火法冶金炼出的铜是粗铜，含有Fe、Zn、Ag、Au、Pt等杂质，可利用电解法将粗铜提纯。下列说法错误的是A．提纯时粗铜作阴极B．用硫酸铜溶液作电解质溶液C．阳极反应之一是Cu-2e-=Cu2+D．电解槽底部的阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料4．下列说法正确的是A．工业上通过电解熔融制备金属铝 B．电解精炼铜用粗铜作阳极C．加热制备无水 D．吸热反应只能在加热条件下进行5．在原电池和电解池的电极上发生的反应，同属氧化反应或同属还原反应的有①原电池的正极和电解池的阳极所发生的反应；②原电池的正极和电解池的阴极所发生的反应③原电池的负极和电解池的阳极所发生的反应④原电池的负极和电解池的阴极所发生的反应A．①② B．①④ C．③④ D．②③6．在氯碱工业中，离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如下，下列说法不正确的是A．电极A为阳极，发生氧化反应生成氯气B．离子交换膜为阳离子交换膜C．溶液从d处出D．电解饱和食盐水的离子方程式为：7．电化学工业的发展为改善人类需求起到非常重要的作用。下列说法错误的是A．粗铜精炼时，精铜电极应与电源正极相连B．电动汽车的推广有利于改善大气环境C．可利用电解工业制备一些活泼金属单质D．电镀工业中镀件应与电源的负极相连8．有关甲、乙、丙、丁四个图示的叙述正确的是A．甲中Zn电极失去电子发生氧化反应，电子经过溶液后，流向Ag电极B．乙中阴极反应式为C．丙中H+向Fe电极方向移动D．丁中电解开始时阳极产生黄绿色气体9．下列关于金属冶炼的说法中正确的是A．电解熔融氯化钡制钡 B．电解熔融氯化铝制铝C．工业上电解饱和食盐水制钠 D．工业上电解熔融氧化镁制镁10．下列关于电解池的叙述不正确的是A．若用铁做阴极，则铁不会被氧化 B．与电源负极相连的是电解池的阴极C．在电解池的阳极发生的是氧化反应 D．与电源正极相连的是电解池的阴极11．微生物电化学产甲烷法能将电化学法和生物还原法有机结合，装置如图所示(左侧转化为和，右侧和转化为)。有关说法正确的是

A．电源a端为负极B．该方法能实现二氧化碳零排放C．b电极的反应为：D．外电路中每通过，与a相连的电极将产生12．次磷酸是一元中强酸，工业上采用电渗析法制备，其工作原理如图所示。下列叙述错误的是

A．M室发生的电极反应式为B．电解过程中N室溶液的pH逐渐增大C．装置中a膜、b膜、c膜均为阳离子交换膜D．理论上M室和N室石墨电极上产生的气体物质的量之比为1∶213．如图所示的装置，甲中盛有CuSO4溶液，乙中盛有KI溶液，电解一段时间后，分别向C、D电极附近滴入淀粉溶液，D电极附近变蓝。下列说法正确的是

A．E、F电极分别是阴极、阳极B．若甲池是电解精炼铜，则A电极为粗铜C．甲中Cu2+移向B电极D．若C电极为惰性电极，则电解后乙中溶液的pH增大14．现代膜技术可使某种离子具有单向通过能力，常用于电解池、原电池中。电解NaB(OH)4溶液可制备H3BO3，其工作原理如图所示。下列说法错误的是A．NaB(OH)4中B的化合价为+3价B．N室发生的电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-C．去掉a膜，阳极区用稀硫酸作电解液，不影响H3BO3的纯度D．a、c膜均为阳离子交换膜，b膜为阴离子交换膜15．如图所示装置中，a、b都是惰性电极，通电一段时间后，b极附近溶液呈红色，下列说法错误的个数是①X是负极，Y是正极②若用右侧装置(电解液改为溶液)在钥匙上镀铜，则将钥匙放在b处③溶液的酸性先增强，当铜电极有气泡产生时，此后一段时间酸性会继续增强④若用右侧装置(电解液改为溶液)精炼粗铜时，则将粗铜放在b处A．1个 B．2个 C．3个 D．4个16．间接电解法除N2O，其工作原理如图所示，已知H2S2O4是一种弱酸。下列有关该装置工作的说法正确的是A．b为直流电源的负极B．离子交换膜为阴离子交换膜C．电解池的阴极电极反应式为2H2SO3+2e-+2H+=H2S2O4+2H2OD．在吸收池中，H2S2O4被N2O还原为H2SO3从而实现循环使用17．在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料