特讯版 第1部分 第6章 第2节 电能转化为化学能电解.docx

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特讯版第1部分第6章第2节电能转化为化学能电解

第2节　电能转化为化学能——电解

考纲定位

核心素养

1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。

2．理解电解原理的应用并能进行相关计算。

1.变化观念——认识物质的变化是有条件的（如电解反应需通电），关注化学变化中的能量转化，电解反应体现了电能转化为化学能。

2．模型认知——认识电解池的构成、工作原理及电极反应的书写模板。

3．社会责任——深刻理解电化学与科技、生产、生活、环境之间的关系，理解电化学（电解）对社会发展的重大贡献。

考点一|电解原理及其规律

1．电解

让直流电通过电解质溶液或熔融的电解质，在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。

提醒：

电解与电离的区别

（1）电解需通电才能进行而电离不需通电就能进行；

（2）电解是化学过程；而电离是在水中或熔融状态断键离解为离子，属于物理过程。

2．电解池及其工作原理

（1）概念：

电解池是将电能转化为化学能的装置。

（2）构成条件

①有与外接直流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。

（3）电解池工作原理（以电解CuCl2溶液为例）

（4）电解池中电子和离子的移动

①电子：

从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。

电子不能通过电解质溶液。

②离子：

阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。

③电流：

从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极。

（5）两极放电（氧化或还原）顺序

①阴极：

阳离子放电顺序：

Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋（酸）>Fe2＋>Zn2＋>H＋（水）>

Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋。

②阳极：

金属（Au、Pt除外）电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。

提醒：

（1）阳极材料若为金属电极（Au、Pt除外），电极金属失电子发生氧化反应，而介质中的阴离子不反应；

（2）阴极材料若为金属电极，只是增强导电性但不参与反应。

[深度归纳]　阴、阳极的判断方法

（1）根据外接电源：

正极连阳极，负极连阴极。

（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）根据离子流向：

阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。

（5）根据电极产物：

a.阳极：

电极溶解、逸出O2（或极区变酸性）或Cl2；b.阴极：

析出金属、逸出H2（或极区变碱性）。

（6）根据反应类型：

阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。

3．以惰性电极电解水溶液的有关规律

（1）电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐

①阴极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，总方程式为2H2O

2H2↑＋O2↑。

②电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。

（2）电解电解质类型——无氧酸（如HCl），不活泼金属无氧酸盐（CuCl2）

电解质浓度变小，加电解质本身复原。

（3）放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐（如NaCl）

①阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，总方程式为2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

②溶液pH变大，加HCl（卤化氢）复原。

（4）放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4）

①阴极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，总方程式为2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋。

②溶液pH变小，加CuO（金属氧化物）或CuCO3复原。

[深度归纳]　电极反应式和电解方程式的书写要点

（1）做到“三看”，正确书写电极反应式

①一看电极材料，若是金属（Au、Pt除外）作阳极，金属一定被电解（注：

Fe生成Fe2＋）。

②二看电解质，电解质是否参与电极反应。

③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。

（2）规避“两个”失分点

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，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式，且注明“电解”条件。

②电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。

1．正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）利用电解法可以实现2Ag＋2H＋===2Ag＋＋H2↑。

（　　）

（2）电解时电子流向为负极→阴极→阳极→正极。

（　　）

（3）用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后，加入Cu（OH）2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。

（　　）

（4）惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。

（　　）

答案：

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×

2．按要求书写方程式。

（1）用惰性电极电解MgCl2溶液

阳极反应式：

__________________________________________；

阴极反应式：

__________________________________________；

总反应式：

____________________________________________。

（2）用惰性电极电解2mol·L－1NaCl和1mol·L－1CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段。

第一阶段：

阴极反应式______________，阳极反应式____________。

第二阶段：

阴极反应式______________，阳极反应式____________。

答案：

（1）2Cl－－2e－===Cl2↑

2H＋＋2e－===H2↑

Mg2＋＋2Cl－＋2H2O

Mg（OH）2↓＋Cl2↑＋H2↑

（2）Cu2＋＋2e－===Cu　2Cl－－2e－===Cl2↑

4H＋＋4e－===2H2↑　4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

考法1　电解原理及其规律

1．图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。

下列判断正确的是（　　）

A．滤纸上c点附近会变红色

B．Cu电极质量减小，Pt电极质量增大

C．Z中溶液的pH先减小，后增大

D．溶液中的SO

向Cu电极定向移动

A　[紫红色斑即MnO

向d端扩散，根据阴离子向阳极移动的原理，可知d端为阳极，即b为正极，a为负极，c为阴极，NaCl溶液中H＋放电，产生OH－，c点附近会变红色，A正确；电解硫酸铜溶液时，Pt为阳极，溶液中的OH－放电：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，Cu为阴极，溶液中的Cu2＋得电子，生成铜，总反应式为2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4，Pt电极附近生成H＋，则SO

向Pt电极移动，B、D不正确；随着电解的进行，Z中溶液变为硫酸溶液，继续电解则为电解水，硫酸浓度增大，pH减小，C不正确。

]

2．（2019·甘肃名校联考）电－Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术，其反应原理如图所示（酸性介质）。

其中电解产生的H2O2与Fe2＋发生Fenton反应：

Fe2＋＋H2O2===Fe3＋＋OH－＋·OH，生成的羟基自由基（·OH）能氧化降解有机污染物。

下列说法不正确的是（　　）

A．电源的B极是正极

B．电解时阴极周围溶液的pH增大

C．阴极上发生的电极反应为O2＋2e－＋2H＋===H2O2

D．若产生4mol羟基自由基（·OH），则消耗22.4LO2

D　[O2在电解池的左侧得电子生成H2O2，所以A极为负极，B极为正极，A项正确；阴极上O2＋2e－＋2H＋===H2O2，电解质溶液的pH增大，B、C项正确；D项，没有指明温度和压强，不能确定氧气的体积，D项错误。

]

3．（2018·宜昌期末）用图甲装置电解一定量的CuSO4溶液，M、N为惰性电极。

电解过程实验数据如图乙所示。

横轴表示电解过程中转移电子的物质的量，纵轴表示电解过程产生气体的总体积。

下列说法不正确的是（　　）

　　　　图甲　　　　　　　　　　图乙

A．A点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态

B．电解过程中N电极表面先有红色物质生成，后有气泡产生

C．P点前后，M极反应式均为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

D．若M电极材料换成Cu，则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变

A　[A点所得溶液是电解CuSO4和H2O两过程所得溶液，根据“少什么补什么”原则，应加CuO和H2O，A错误。

]

考法2　电化学基本计算——电子守恒法

4．500mLNaNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中c（NO

）＝0.3mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到气体1.12L（标准状况下），假定电解后溶液体积仍为500mL，下列说法正确的是（　　）

A．原混合溶液中c（Na＋）＝0.2mol·L－1

B．电解后溶液中c（H＋）＝0.2mol·L－1

C．上述电解过程中共转移0.4mol电子

D．电解后溶液复原时需加入4gCuO

B　[两极均收集1.12L气体（标准状况下）―→

―→转移电子为0.2mol⇒n（Cu2＋）＝0.05mol，n（H＋）＝0.1mol

n（Na＋）＝0.05mol。

复原时需加CuO：

0.05×80g＝4g和H2O：

0.05×18g＝0.9g　或加Cu（OH）24.9g。

]

5．（2019·大连模拟）用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1molCu2（OH）2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH（不考虑二氧化碳的溶解）。

则电解过程中转移电子的物质的量为（　　）

A．0.4mol　B．0.5mol

C．0.6molD．0.8mol

C　[Cu2（OH）2CO3可改写为2CuO·H2O·CO2，因反应后生成的CO2离开溶液，所以加入0.1molCu2（OH）2CO3相当于加入0.2molCuO、0.1molH2O，根据

2Cu　　～　　O2　　～　　4e－

2mol　　　　　　　　　　4mol

0．2mol　　　　　　　　　0.4mol

2H2O　～　　O2　　～　　4e－

2mol　　　　　　　　　　4mol

0．1mol　　　　　　　　　0.2mol

转移电子的物质的量＝0.4mol＋0.2mol＝0.6mol。

]

6．（2019·唐山模拟）某科研小组将含硫化氢的工业废气进行了资源化利用，将获得的电能用于制取“84”消毒液。

已知：

2H2S（g）＋O2（g）===S2（s）＋2H2O（l）　ΔH＝－632kJ·mol－1。

下图为该小组设计的原理图。

下列说法正确的是（　　）

A．电极a为燃料电池正极

B．电极b上发生的电极反应为O2＋4e－＋2H2O===4OH－

C．电路中每流过4mol电子，电池内部释放热能小于632kJ

D．a极每增重32g，导气管e将收集到气体11.2L（标准状况）

C　[电极a上H2S转化为S2，发生氧化反应，为燃料电池的负极，A项错误；电极b上O2转化为H2O，电极反应为O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B项错误；电路中每流过4mol电子，消耗1molO2，但该装置将化学能转化为电能，电池内部基本上不放出热量，故释放热能小于632kJ，C项正确；a极为负极，电极反应为2H2S－4e－===4H＋＋S2，电极c为阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，根据各电极上转移电子数目相等，可得关系式：

S2～2H2，故导气管e收集到的H2在标准状况下的体积为

×2×22.4L·mol－1＝22.4L，D项错误。

]

[思维建模]　电化学中两种基本计算模型

注：

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。

考点二|电解原理的实际应用

1．电解饱和食盐水——氯碱工业

（1）电极反应

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑（反应类型：

氧化反应）。

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑（反应类型：

还原反应）。

检验阳极产物的方法是：

用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。

电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。

（2）电解方程式

化学方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑。

（3）阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图

①阳离子交换膜的作用

阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：

2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。

②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。

2．电镀铜与电解精炼铜

（1）电镀铜

（2）电解精炼铜

提醒：

（1）电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥；

（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．电冶金

冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属，必须用电解法。

（1）电解熔融氯化钠得到钠

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

（2）电解熔融Al2O3制Al

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

电极反应：

阳极：

6O2－－12e－===3O2↑；

阴极：

4Al3＋＋12e－===4Al。

冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。

提醒：

（1）电解熔融MgCl2冶炼镁，而不电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高；

（2）电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。

正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）

（1）电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。

（　　）

（2）电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c（Cu2＋）均保持不变。

（　　）

（3）用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序H＋>Zn2＋，不可能在铁上镀锌。

（　　）

（4）电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。

（　　）

（5）粗铜电解精炼时，若电路中通过2mole－，阳极减少64g。

（　　）

答案：

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×

考法1　电解原理的常规应用

1．（2018·合肥一模）利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。

可电解LiCl溶液制备LiOH，装置如图所示。

下列说法正确的是（　　）

A．惰性电极B连接电源正极

B．A极区电解液为LiCl溶液

C．阳极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

D．每生成1molH2，有1molLi＋通过阳离子交换膜

B　[B极区产生H2，同时生成LiOH，故B极区电解液为LiOH溶液，惰性电极B上水电离出的H＋发生还原反应生成H2，惰性电极B为阴极，与电源负极相连，A项错误；惰性电极A为阳极，阳极上Cl－发生氧化反应，A极区电解液为LiCl溶液，B项正确；阳极上Cl－发生氧化反应：

2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；每生成1molH2，转移2mol电子，则有2molLi＋通过阳离子交换膜，D项错误。

]

2．离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。

由有机阳离子、Al2Cl

和AlCl

组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。

钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为___________________。

若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极反应式为_________________

________________________________________________________。

解析：

在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl

和AlCl

形式存在，则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl

＋3e－===Al＋7AlCl

；在水溶液中，得电子能力：

H＋>Al3＋，故阴极上发生的反应是2H＋＋2e－===H2↑。

答案：

负　4Al2Cl

＋3e－===Al＋7AlCl

　2H＋＋2e－===H2↑

考法2　电解原理在物质制备、环境治理方面的应用

3．（2019·蓉城模拟）重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。

工业上以铬酸钾（K2CrO4）（黄色）为原料，采用电化学法制备重铬酸钾（K2Cr2O7）（橙色）。

制备装置如图所示。

下列说法错误的是（　　）

A．阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色，其原理为2CrO

＋2H＋===Cr2O

＋H2O

B．电解过程中阳极附近溶液的pH变小，其原理为2H2O＋4e－===O2↑－

4H＋

C．K2CrO4在阳极区被氧化成K2Cr2O7

D．阴极每生成1mol气体，有2mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室

C　[结合题给装置可判断惰性电极为阳极，不锈钢电极为阴极；阳极室中K2CrO4转化为K2Cr2O7，溶液由黄色逐渐变为橙色，A项正确；阳极室发生氧化反应，OH－失电子放电，电极反应式为2H2O－4e－===

4H＋＋O2↑，阳极附近溶液pH逐渐减小，B项正确；阳极室中H＋浓度增大，促使发生反应：

2CrO

＋2H＋

Cr2O

＋H2O，反应前后Cr元素化合价没有发生变化，C项错误；阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，每生成1molH2转移2mol电子，为保持溶液呈电中性，有2molK＋从阳极室向阴极室移动，D项正确。

]

4．（2019·惠州模拟）化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解NO

的原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．A为电源的正极

B．溶液中H＋从阳极向阴极迁移

C．AgPt电极的电极反应式为2NO

＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O

D．电解过程中，每转移2mol电子，则左侧电极就产生32gO2

D　[根据题给电解装置图可知，AgPt电极上NO

转化为N2，发生还原反应：

2NO

＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，则AgPt电极作阴极，B为电源的负极，故A为电源的正极，A、C项正确；在电解池中阳离子向阴极移动，所以溶液中H＋从阳极向阴极迁移，B项正确；左侧电极为阳极，电极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，则每转移2mol电子，左侧电极产生16gO2，D项错误。

]

5．（2019·滁州模拟）常温下，NCl3是一种黄色黏稠状液体，是制备新型水消毒剂ClO2的原料，可以采用如图所示装置制备NCl3。

下列说法正确的是（　　）

A．每生成1molNCl3，理论上有4molH＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移

B．可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M

C．石墨极的电极反应式为NH

＋3Cl－－6e－===NCl3＋4H＋

D．电解过程中，质子交换膜右侧溶液的pH会减小

C　[A项，每生成1molNCl3，转移6mole－，理论上有6molH＋经质子交换膜从右侧向左侧迁移，A错误；B项，M为H2，不能用湿润的淀粉KI试纸检验，B错误；D项，右侧pH会增大，D错误。

]

专项突破（13）　隔膜在电化学装置中的应用

1．隔膜的分类

隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。

离子交换膜分三类：

（1）阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。

（2）阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。

（3）质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。

2．隔膜的作用

（1）能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。

（2）能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。

注意：

①反应物相同，不同的交换膜，迁移的离子种类不同。

②同种交换膜，转移相同的电子数，如果离子所带电荷数不同，迁移离子数不同。

③离子迁移依据电荷平衡，而离子数目变化量可能不相等。

[典例导航]

（2016·全国卷Ⅰ，T11）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO

可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。

下列叙述正确的是（　　）

A．通电后中间隔室的SO

向正极迁移，正极区溶液pH增大

B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C．负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低

D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成

[思路点拨]　直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极

SO

移向“＋”极，Na＋移向“－”极―→ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H＋＋2e－===H2↑，pH增大；“＋”极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，pH减小。

答案：

B

（1）ab为________________（填“阴”或“阳”，后同）离子交换膜，cd为________离子交换膜。

（2）正极区的电极反应式为__________________________________，

正极区的pH变_____（填“大”或“小”），从平衡角度解释原因____

________________________________________________________。

（3）当正极产生0.5mol气体，通过cd膜的离子数目为________。

答案：

（1）阳　阴

（2）4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　小　正极区溶液中存在H2O

H＋＋OH－，OH－放电，[OH－]减小，上述平衡右移，使[H＋]>[OH－]，且[H＋]逐渐增大，pH减小

（3）6.02×1023（或NA）

1．（2019·保定模拟）用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫，将所得的混合液进行电解循环再生，这种新工艺叫再生循环脱硫法。

其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示，下列有关说法中不正确的是（　　）

A．X为直流电源的负极，Y为直流电源的正极

B．阳极反应为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

C．图中的b>a

D．该过程中的产品主要为H2SO4和H2

B　[根据Na＋和SO

的移向可知Pt（Ⅰ）为阴极，反应为2H＋＋2e－===H2，Pt（Ⅱ）为阳极，反应为SO

－2e－＋H2O===SO

＋2H＋。

]

2．（2014·全国卷Ⅰ，改编）次磷酸（H3PO2）可用电渗析法制备。

“四室电渗析法”工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）：

（1）左电极为________极，电极反应式为______________________

______________________________________________________。

（2）阳极室中的________通