电解池教学设计.docx

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电解池教学设计

电解原理教学设计

　　一、电解原理

　　1．电解质溶液的导电

我们知道，金属导电时，是金属内部的自由电子发生的定向移动，而电解质溶液的导电与金属导电不同。

通电前电解质溶液中阴、阳离子在溶液中自由地移动；通电后在电场的作用下，这些自由移动的离子改作定向移动，带负电荷的阴离子由于静电作用向阳极移动，带正电荷的阳离子则向阴极移动，并在两极上发生氧化还原反应。

我们把：

借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转化为化学能的装置叫电解池。

电解池中与直流电源负极相连的电极叫阴极，与直流电源正极相连的电极叫阳极。

物质能否导电是由其内部能否形成定向移动的自由电荷所决定的，对金属就是自由电子，而对电解质溶液就是自由移动的阴阳离子。

　2．电解

（1）概念：

使电流流过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫电解。

（2）电子流动的方向：

电子从外接直流电源的负极流出，经导线到达电解池的阴极，电解池溶液中的阳离子移向阴极，并在阴极获得电子而被还原，发生还原反应；与此同时，电解池溶液中的阴离子移向阳极，并在阳极上失去电子（也可能是阳极很活泼而本身失去电子）而被氧化，发生氧化反应。

这样，电子又从电解池的阳极流出，沿导线而流回外接直流电源的正极。

（3）电极反应的类型：

阳极反应为氧化反应，阴极反应为还原反应，故而阴极处于被保护的状态，而阳极则有可能被腐蚀。

3、电极名称的进一步理解

　　⑴在原电池中，称正极、负极，其中负极流出电子

⑵在电解池中，称阳极、阴极，其中阴极流入电子

⑶电解池的阳极与原电池的正极相连，电解池的阴极与原电池的负极相连

4、电极反应式与电解方程式的书写

书写电极反应，首先要搞清楚电极材料，然后分析溶液中离子情况，再根据阴、阳极放电的规律，得出相应的结论。

电解过程总反应方程式叫电解方程式（指电解时总的化学方程式或离子方程式）。

要正确书写电解方程式，首先要正确写出电极反应式，然后分析参加电极反应的离子来自何种物质，这样才能正确写出反应物、生成物，配平且在等号上方注明“电解”或“通电”。

书写的具体步骤：

⑴先查阳极电极材料和确定溶液中的离子种类

如用C电极电解CuSO4溶液：

溶液中有CuSO4=Cu2++SO42—；H2O

H++OH-。

溶液中存在Cu2+、H+、OH—、SO42—共4种离子。

⑵由放电顺序确定放电产物和电极反应

　　C电极为惰性电极，不参加反应。

放电能力　Cu2+＞H+　Cu2+放电生成Cu

OH—＞SO42—，OH—放电生成O2

电极反应：

阴极　2Cu2++4e—=2Cu

阳极　4OH—-4e—＝2H2O+O2↑

溶液中余下的H+和SO42—结合成新物质H2SO4。

⑶由电极反应产物，写出总反应式――电解方程式

如上述反应中的反应物为CuSO4和H2O，产物是Cu、O2和H2SO4，电解方程式为：

2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4

5、电离、水解和电解的比较

发生条件

变化实质

实　　例

电　　离

①适用于电解质

②在溶液或熔化状态中发生

电解质分离成自由移动的离子（在水溶液中形在水合离子）

CuSO4=Cu2++SO42-

①电离是盐类发生水解反应和电解反应的先决条件

②电解要通入直流电才能发生

③一般说，盐类的水解反应是可逆的、微弱的；其他物质（如CaC2、醇钠、卤代烃、酯、多糖、蛋白质等）的水解程度与物质自身有关。

水　　解

①与水电离产生的H+或OH-结合成难电离物质等

②在水溶液中发生

组成盐的酸根阴离子或金属阳离子（包括NH4+）和水电离出的H+或OH—结合成弱电解质

CN-+H2O

HCN+OH-

Cu2++2H2O

Cu（OH）2+2H+

电　　解

①只有电解质处于熔融状态或溶液中才能发生

②要通入直流电，才发生电解

在直流电作用下，组成电解质的阴、阳离子（或水中的H+、OH—）在电极上发生氧化还原反应

2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4

　　6、电离方程式、离子方程式和电极反应式、电解方程式的比较

表示内容

书写特点

实　　例

电离方程式

表示电解质在熔融状态或溶液中的离解的式子

强电解质完全电离，用“=”表示，弱电解质不完全电离，用“

”表示。

多元酸、碱分步电离分步书写（中学阶段中多元弱碱的电离可一步书写）

NaHSO4=Na++H++SO42-

H2S+H2O

H3O++HS-

HS-+H2O

H3O++S2-

NaHCO3=Na++HCO3-

HCO3-

H++CO32-

Al（OH）3

Al3++3OH-

离子方程式

表示弱电解质等在溶液中的反应。

可以表示同一类的反应

反应物、生成物中易溶且易电离的写离子形式（包括弱酸、弱碱、难电离物质等）；其他物质写分子式。

方程式两边原子个数和电荷均应守恒，固态物质间反应不用离子方程式表示（浓溶液间的反应一般也不用）

NH4++OH-

NH3↑+H2O

NH4++OH-

NH3·H2O

Cu+2Ag+=2Ag+Cu2+

Al3++3H2O

Al（OH）3+3H+

Fe3++3SCN-=Fe（SCN）3

2H++SO42-+Ba2++2OH-=BaSO4↓+2H2O

CH3CH2Cl+OH-

CH3CH2OH+Cl-

C6H5O-+CO2+H2O

C6H5OH+HCO3-

CH3COOCH2CH3+OH-

CH3COO-+CH2CH3OH

CaC2+2H2O

Ca2++2OH-+C2H2↑

4Ag++2H2O

4Ag+O2↑+4H+

电极反应式

表示原电池或电解池中的电极反应

要注明电极名称，得（失）电子数

1用惰性电极电解CuSO4溶液

阳极4OH-—4e-=2H2O+O2↑

阴极　Cu2++2e-=Cu

2钢铁的吸氧腐蚀（铁本身是活泼电极，参加反应）

负极Fe—2e—=Fe2+

正极O2+2H2O+4e-=4OH-

3电解饱和食盐水（用惰性电极）

阳极：

2Cl--2e-=Cl2↑

阴极：

2H++2e-=H2↑

电解方程式

表示电解时物质变化的化学方程式

条件是“电解”

用惰性电极电解硫酸铜时：

2CuSO4+2H2O

2H2SO4+2Cu+O2↑

用惰性电极电解饱和食盐水时：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

7、原电池、电解池和电镀池的比较

原电池

电解池

电镀池

定　　义

将化学能转变成电能的装置

将电能转变成化学能的装置

应用电解原理在某些金属或非金属表面镀上一层其他金属合金的装置

装置举例

形成条件

1活动性不同的两电极（连接）

2电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）

③形成闭合回路

1两电极接直流电源

2两电极插入电解质溶液

3形成闭合回路

1镀层金属接电源正极，镀件接电源负极

②电镀液必须含有镀层金属的离子

电极名称

负极较活泼金属（电子流出的极）

正极较不活泼金属或能导电的非金属（电子流入的极）

阴极与电源泉负极相连的极

阳极与电源正极相连的极

名称同电解池的命名，但有限制

阳极必须是镀层金属

阴极镀件

电极反应

负极氧化反应；金属或还原性气体失电子

正极还原反应；溶液中的阳离子得电子或者氧化性气体得电子（吸氧腐蚀）

阳极　氧化反应；溶液中的阴离子失电子，或电极金属失电子

阴极　还原反应；溶液中的阳离子得电子

阳极金属电极失电子

阴极电镀液中阳离子得电子

电子流向

外电路：

同电解池

能量转变

化学能转变为电能

电能转化为化学能

装置特点

无外接直流电源

有外接直流电源

有外接直流电源，阳极为活泼金属且与电解液中阳离子为同一金属

相似之处

均能发生氧化还原反应，且同一装置中两个电极在反应过程中转移电子总数相等。

举　　例

⑴铜锌原电池；⑵氢氧燃烧电池

⑴氯碱工业装置；⑵电解精炼铜

镀锌装置

8、电解时电极放电顺序的判断

中学阶段我们一般只讨论电极材料的性质、离子的氧化性强弱和还原性强弱对它们得失电子能力的影响。

　　⑴阳极放电顺序

1看电极，如果是活性电极（指金属活动顺序表Ag及Ag以前的金属）则电极材料失电子，电极被溶解，溶液中的阴离子不能失电子。

②如果是惰性电极（Pt、Au、石墨），则要再看溶液中的阴离子的失电子能力，此时根据阴离子放电顺序加以判断。

阴离子放电顺序：

S2—＞I—＞Br—＞Cl—＞OH—＞含氧酸根＞F—（实际上在水溶液中的电解，OH—后面的离子是不可能放电的，因为水提供的OH—会放电）

⑵阴极放电顺序

阴极本身被保护，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+＞Fe2+＞Zn2+＞H+＞Al3+＞Mg2+（类似，在水溶液中的电解，H+后面的离子一般是不放电的，因为水提供的H+会放电）

9、电解质溶液的电解规律（惰性电极）

被电解的物质

电解质实例

阴　　极

阳　　极

总方程式

溶液的pH

备注

H2O

强碱的含氧酸盐Na2SO4

4H++4e—=2H2↑

4OH——4e—=O2↑+2H2O

2H2O

2H2↑＋O2↑

不　　变

电解质起导电作用，其量不变，水减少

含氧酸H2SO4

降　　低

强碱KOH

升　　高

电解质自身

弱碱的非含氧酸盐（氟化物除外）CuCl2

Cu2++2e—=Cu↓

2Cl——2e—=Cl2↑

CuCl2

Cu+Cl2↑

具体看金属阳离子水解能力与生成的气体溶于水后的反应。

此处Cl2溶于水的酸性强于Cu2+水解的酸性，所以pH下降

相当于电解质分解，水不参加反应

非含氧酸（HF除外）HBr

2H++2e—=H2↑

2Br——2e—=Br2

2HBr

Br2+H2↑

升　　高

电解质自身和水

强碱的非含氧酸盐NaCl

2H++2e—=H2↑

2Cl——2e—=Cl2↑

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

升　　高

产生碱或酸

弱碱的含氧酸盐CuSO4

Cu2++42e—=2Cu↓

4OH——4e—=O2↑+2H2O

2CuSO4+2H2O

2H2SO4+2Cu+O2↑

降　　低

10、电解质溶液电解时（均为惰性电极），pH变化情况，电解液复原所需加入物质及电解类型（与上面的9相互对照补充）

（1）分解水型：

含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐（如NaOH、H2SO4、K2SO4等）的电解。

阴极：

4H++4e-=2H2↑

阳极：

4OH--4e-=O2↑+2H2O

　　总反应：

2H2O

2H2↑+O2↑

阴极产物：

H2；阳极产物：

O2。

电解质溶液复原加入物质：

H2O。

pH变化情况：

原来酸性的溶液pH变小，原来碱性的溶液pH变大，强酸（含氧酸）强碱的正盐溶液pH不变。

（2）分解电解质型：

无氧酸（除HF外）、不活泼金属的无氧酸盐（氟化物除外）的电解，如HCl、CuCl2等。

阴极：

Cu2++2e-=Cu

阳极：

2Cl--2e-=Cl2↑

总反应：

CuCl2

Cu+Cl2↑

阴极产物：

酸为H2，盐为金属；阳极产物：

卤素等非金属单质。

电解液复原加入物质为原溶质，如电解CuCl2溶液，需加CuCl2。

pH变化情况：

如电解无氧酸溶液pH变大但不会超过7；如为盐溶液的电解则视无氧酸根的情况而定（如：

电解CuCl2溶液时，由于生成的Cl2溶于水产生的酸性强于Cu2+水解产生的酸性，所以pH下降；电解Na2S溶液时，由于生成NaOH使pH升高）。

（3）放氢生碱型：

　　活泼金属的无氧酸盐（氟化物除外）溶液的电解，如NaCl、MgBr2等。

阴极：

2H++2e-=H2↑

阳极：

2Cl--2e-=Cl2↑

总反应：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

阴极产物：

碱和H2；阳极产物：

卤素等非金属单质。

电解饱和食盐水的产物分别为NaOH和H2以及Cl2。

电解液复原加入物质为卤化氢。

电解饱和食盐水，要使电解质溶液复原需加入HCl。

pH变化情况：

电解液pH显著变大

（4）放氧生酸型：

不活泼金属的含氧酸盐溶液的电解，如CuSO4、AgNO3等。

阴极：

2Cu2++4e-=Cu

阳极：

4OH--4e-=O2↑+2H2O

总反应：

2CuSO4+2H2O

2Cu+O2↑+2H2SO4

阴极产物：

析出不活泼金属单质；阳极产物是该盐对应的含氧酸和氧气，本例中分别是Cu以及H2SO4、O2。

电解液复原加入物质为不活泼金属的氧化物（金属价态与原盐中相同）。

如电解CuSO4溶液，复原需加入CuO。

pH变化情况：

溶液pH显著变小。

吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别

电化腐蚀类型吸氧腐蚀析氢腐蚀

条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强

正极反应O2+4e-+2H2O==4OH-2H++2e-==H2↑

负极反应Fe－2e-==Fe2+Fe－2e-==Fe2+

腐蚀作用是主要的腐蚀类型，具有广泛性发生在某些局部区域内

吸氧腐蚀和析氢腐蚀的区别

电化腐蚀类型

吸氧腐蚀

析氢腐蚀

条件

水膜酸性很弱或呈中性

水膜酸性较强

正极反应

O2+4e-+2H2O==4OH-

2H++2e-==H2↑

负极反应

Fe－2e-==Fe2+

腐蚀作用

是主要的腐蚀类型，具有广泛性

发生在某些局部区域内

11、电解原理的应用

⑴氯碱工业

如电解饱和食盐水可制得NaOH、Cl2、H2，而电解稀NaCl溶液可制备NaClO。

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+Cl2↑

⑵电镀　利用电解原理进行设计

电镀与一般的电解本质相同，但在电极材料、电极反应（是同种金属的得失电子，宏观上无新物质生成）、溶液浓度（电解过程浓度一般会发生变化，但电镀则不变）的变化等均有差别。

⑶精炼铜

⑷电解法冶炼金属

一些较活泼的金属常用电解的方法冶炼，如Na、Mg、Al等金属（这是因为这些金属的阳离子的氧化性很弱，难以找到经济实用的还原剂，从这个意义上看，电源的负极是最强的还原剂）。

二、铜的电解精炼

原理：

电解时，用粗铜板作阳极，与直流电源的正极相连；用纯铜板作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液（加入一定量的硫酸）作电解液。

CuSO4溶液中主要有Cu2+、SO

、H+、OH-，通电后H+和Cu2+移向阴极，并在阴极发生Cu2++2e-=Cu；OH-和SO

移向阳极，但阳极因为是活性电极故而阴离子并不放电，主要为阳极（活泼及较活泼金属）发生氧化反应而溶解，阳极反应：

Cu-2e-=Cu2+。

电解过程中，比铜活泼的Zn、Fe、Ni等金属杂质，在铜溶解的同时也会失电子形成金属阳离子而溶解，此时阴极仍发生Cu2++2e-=Cu，这会导致电解液中硫酸铜的浓度不发生变化；Ag、Au不如Cu易失电子，Cu溶解时它们以阳极泥形式沉积下来，可供提炼Au、Ag等贵金属。

结论：

该过程实现了提纯铜的目的。

三、电镀铜

电镀时，一般都是用含镀层金属离子的电解质溶液为电镀液；把待镀金属制成品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极，而用镀层金属为阳极，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，并在阴极上被还原成金属析出。

电镀铜规律可概括为“阳极溶解，阴极沉积，电解液不变”。

工业上电镀常使用有毒电镀液，因此电镀废水应回收有用物质、降低有害物质含量后，达标排放，以防污染环境。

四、电解的有关计算

1．计算的原则

（1）阳极失去的电子数＝阴极得到的电子数。

（2）串联电路中通过各电解池的电子总数相等。

（3）电源输出的电子总数和电解池中转移的电子

2．计算的方法

（1）根据电子守恒法计算：

用于串连电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。

（2）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比例式计算

（3）根据关系式计算：

根据得失电子守恒的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。

电解计算时常用的定量关系为：

4e－～4H＋～4OH－～2H2～O2～2Cu～4Ag。

[尝试运用]将含有0.4molCu（NO3）2和0.4molKCl的水溶液1L，用惰性电极电解一段时间后，在一电极上析出19.2gCu；此时，在另一电极上放出气体的体积在标准状况下为（不考虑产生的气体在水中的溶解）（　B　）

A．3.36L　　　　　B．5.6L

C．6.72LD．13.44L

[解析]阴极析出铜0.3mol，由Cu2＋＋2e－===Cu知Cu2＋得到0.6mol电子，根据2Cl－－2e－===Cl2↑，求出当溶液中Cl－全部参与电极反应时，放出Cl20.2mol，失去电子0.4mol。

因此在阳极还有OH－放电，根据4OH－－4e－===2H2O＋O2↑和电子守恒在阳极有0.05molO2放出，即阳极共放出0.25mol标准状况下为5.6L的气体。

【题后感悟】解答电解计算题的基本步骤：

（1）正确书写电极反应式（要特别注意阳极材料）。

（2）当溶液中有多种离子共存时，先要根据离子放电顺序确定离子放电的先后。

（3）根据得失电子守恒进行相关计算。

电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl＋2H2O=====电解2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，离子方程式为2Cl－＋2H2O=====电解Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

电镀时把待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极，用含镀层金属离子的溶液作电镀液，电镀时，镀层金属离子浓度保持不变。

电解精炼铜时，用纯铜作阴极、粗铜作阳极，用CuSO4溶液作电解液，精炼过程中，Cu2＋的浓度逐渐减小。

[典型例题剖析]

例1．用两支惰性电极插入500mL的AgNO3溶液中，通电电解。

当电解质溶液的pH由6.0变为3.0时（设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变化可以忽略），则电极上析出银的质量是（　）

A．27mg　　

B．54mg　　

C．108mg　　

D．216mg

[分析]根据离子放电顺序，先写出两极的电极反应式：

阳极：

4OH--4e-=O2↑+2H2O　①

阴极：

4Ag++4e-=4Ag　　　②

其中OH-来自水，所以总的电解反应式：

4Ag++2H2O

4Ag+O2↑+4H+

或4AgNO3+2H2O

4Ag+O2↑+4HNO3

因为有HNO3生成，所以pH要变小。

生成HNO3的物质的量为（10-3-10-6）×0.5≈0.5×10-3mol，所以析出银的质量为0.5×10-3mol×108g/mol=54mg

答案：

例2．若在铁片上镀锌，以下叙述中错误的是（　）

A．可把铁片与电源的正极相连

B．电解质必须用含有锌离子的可溶性盐

C．锌极发生氧化反应

D．铁极的电极反应式为Zn2++2e-=Zn

[分析]电镀的实质就是以非惰性电极为阳极的一种特殊的电解。

电镀时一般以镀层金属为电解池的阳极，待镀件为阴极，含镀层金属离子的电解溶液为电镀液。

电镀过程中镀层金属发生氧化反应而成为离子溶入电解液，其离子则在待镀件上发生还原反应而析出，且电解质溶液浓度一般不变。

故而本题只有A项不正确。

答案：

例3．串联电路中的四个电解池分别装有0.1mol·L-1的下列溶液，用铂电极电解，连接直流电源一段时间后，溶液的pH最小的是（　）

A．CuCl2　　

B．NaCl　　

C．AgNO3　

D．KNO3

[分析]本题主要考查电解原理、离子放电顺序及电解后溶液pH变化等问题。

理解电解原理并熟悉掌握阴、阳离子的放电顺序是解本题的关键，在电解时，如果H+或OH-在电极上放电往往会导致电极附近溶液H+或OH-浓度发生改变，从而引起电极附近pH变化。

对于电解CuCl2溶液，尽管H+或OH-都没有在阴极或阳极上放电，但由于CuCl2是强酸弱碱盐，水解后溶液呈酸性，因此若CuCl2完全电解后，如果不考虑Cl2溶于水生成HCl和HClO，溶液呈中性，pH增大（实际上由于生成HCl、HClO，溶液呈微酸性）。

电解NaCl溶液H+在阴极上放电，阴极附近OH-浓度增大；阳极上Cl-放电，阳极区域H+、OH-浓度基本不变，因而电解后整个溶液pH会变大，电解AgNO3溶液，阴极Ag+放电；阳极是OH-放电，阳极区域H+浓度变大，溶液pH会显著变小（相当于生成稀HNO3）。

电解KNO3实质是电解水，pH不变。

答案：

例4．pH=a的某电解质溶液中，插入两支惰性电极通直流电一段时间后，溶液的pH>a，则该电解质可能是（　）

A．NaOH　

B．H2SO4　

C．AgNO3　

D．Na2SO4

答案：

解析：

用惰性电极Na2SO4溶液，pH不变，电解H2SO4溶液和AgNO3溶液，pH减小，故选A。

例5金属镍有广泛的用途。

粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是（已知：

氧化性Fe2＋＜Ni2＋＜Cu2＋）（　）

A．阳极发生还原反应，其电极反应式：

Ni2＋＋2e－＝Ni

B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等

C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋

D．电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt

答案：

提示：

根据电解精炼铜原理知，电解制备高纯度Ni时要用NiSO4做电解质溶液，且电解前后Ni2+浓度基。

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