(完整)高中化学电解原理.doc

1、电 解 原 理编稿：顾振海 审稿：潘廷宏 责编：顾振海 重点难点1理解电解的基本概念和原理。2了解铜的电解精炼、电镀铜。3会写电极反应式、电解方程式，掌握围绕电解的计算。知识点讲解基础知识导引1电解 使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。如用惰性电极电解CuCl2溶液时，电极反应式：阳极 2Cl2e=Cl2（氧化反应）阴极Cu2+2e=Cu（还原反应）电解方程式为： 2电解池把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。 其中跟直流电源或原电池的负极相连的电极是电解池的阴极；跟直流电源或原电池的正极相连的电极是电解池的阳极。3铜的电解精炼和电镀铜铜的精炼 阳极Cu2e

2、Cu2+阴极Cu2+十2e=Cu电镀铜电镀铜和精炼铜的原理是一致的，但阴、阳两极材料略有差别：精炼铜时，粗铜板作阳极，纯铜片作阴极，用CuSO4溶液(加入一定量的硫酸)作电解液。电镀铜时，镀层金属(铜片)作阳极，待镀件(铁片)作阴极，用含有镀层金属离子的电解质(CuSO4)配成电镀液。 重点难点点拨一、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

3、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

4、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原电池：根据电子流动的方向可以把电极分成正、负极。流出电子的电极（或发生氧化反应的电极）为负极、流入电子的电极为（或发生还原反应的电极）正极；电解池：根据离子的迁移方向可以把电极分成阳极、阴极。阳离子移向的电极（或与直流电源负极相连的电极）为阴极、阴离子移向的电极（或与直流电源正极相连的电极）为阳极。在原电池中，用正极、负极，其中负极流出电子在电解池中，用阳极

5、、阴极，其中阴极流入电子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、电极反应式和电解方程式的书写化学变化的表示表示方法为了表示化学变化的不同侧面，化学变化主要用化学方程式表示。具体分类如下：（普通）化学方程式氧化还原方程式（标出电子转移方向、数目等）离子方程式电离方程式水解方程式热化学方程式（标明反应物、生成物的状态及对应的热效应）电极反应式电解方程式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，

6、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：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+十SO42；H2OH+OH-。溶液中存在Cu2+、H+、OH、SO42共4种离子。由放电顺序确定放电产物和电极反应放电能力 Cu2+H+ Cu2+放电生成CuOHSO42，OH放电生成O2电极反应：阴极 2Cu2+十4e=2Cu阳极 4OH4e2H2O十O2溶液中余下的H+和SO42结合成新物质H2SO4。由电极反应产物，写出总反应式电解化学方程式

7、如上述反应中的反应物为CuSO4和H2O，产物是Cu、O2和H2SO4，反应式为：2CuSO4+2H2O2Cu+O2+2H2SO45、电离、水解和电解的比较发生条件变化实质实例电离适用于电解质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）电离是盐类发生水解反应和电解反应的先决条件电解要通入直流电才能发生水解只有某些盐类才发生。一般说，水解反应是可逆的、微弱的水解发生于某些盐类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结合成弱电解质电解只有电解质处于熔融状态或溶液中才能发生要通入直流电，才发生电解在直流电作用下，组成电解质的阴、

8、阳离子（或水中的H+、OH）在电极上发生氧化还原反应6、电离方程式、离子方程式和电极反应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电离强电解质完全电离，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）离子方程式表示电解质在溶液中的反应。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；其他物质写分子式。方程式两边原子个数和电荷均应相等，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）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）电子数用惰性电极电解CuSO4溶液阳极

9、 4OH4e=2H2O+O2阴极 Cu2+2e=Cu钢铁的吸氧腐蚀负极 Fe2e=Fe2+正极 O2+2H2O+4 e=4OH7、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表面镀上一层其他金属合金的装置装置举例形成条件活动性不同的两电极（连接）电解质溶液（电极插入其中并与电极自发反应）形成闭合回路两电极接直流电源两电极插入电解质溶液形成闭合回路镀层金属接电源正极，待镀金属接电源负极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）阳极 与电源正极相连

10、的极阴极 与电源泉负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；金属失电子正极 还原反应；溶液中的阳离子得电子或者氧气得电子（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： 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。举例铜锌原电池；氢氧燃烧电池氯碱工业装置；电解精炼铜镀锌

11、装置8、电解时电极放电顺序的判断离子在电极上得失电子的能力与离子的性质、溶液的浓度和温度、电流的大小、电极的材料及电极间的距离等都有关系。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。阳极放电顺序首先看电极，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。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：S2IBrClOH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OH的会放电）阴极放电

12、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+H+Fe2+Zn2+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；但离子的放电顺序往往还与溶液的酸碱性、温度、离子的浓度等有关）9、电解质溶液的电解规律（惰性电极）电解质实例实际电解物质阴极阳极总方程式溶液的pH备注强碱的含氧酸盐Na2SO4H2O4H+4e=2H24OH4e=O2+2H2O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升高弱碱的非含氧酸盐(氟化物除外)CuCl2本身Cu2+2e=Cu2Cl2e=Cl2具体看金属阳离子

13、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）HBr2H+2e=H22Br2e=Br2升高强碱的非含氧酸盐NaClH2O，Cl2H+2e=H22Cl2e=Cl2升高产生碱或酸弱碱的含氧酸盐CuSO4H2O Cu2+Cu2+2e=2Cu4OH4e=O2+2H2O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）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

14、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：2Cl2e=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

15、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：2Cl2e=Cl2总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+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

16、的电解，如CuSO4、AgNO3等。阴极：2Cu2+4e=2Cu阳极：4OH4e=O2+2H2O总反应：2CuSO4+2H2O2Cu+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。11、实验分析：电解CuCl2溶液（1）电极材料阴极可用惰性电极，甚至较活泼的金属，但阳极需使用惰性电极，否则会发生氧化反应而溶解。（2）惰性电极一般指金、铂、石墨电极，而银、铜等均是活性电极。（3）实验现象：

17、通电后，电流表指针发生偏转，阴极石墨棒上析出一层红色固体，阳极表面有气泡放出，可闻到刺激性气味。（4）淀粉碘化钾试纸的作用：检验阳极产物是否为Cl2。使用时应先润湿并缠于玻棒端或用镊子夹持，作用时间不宜太久，否则变蓝后的试纸又会失去蓝色。12、电解原理的应用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。 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。精炼铜 电解法冶炼金属一些较活泼的金属常用电解的方法冶炼

18、，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）。 例如：用石墨作电极电解熔融的氧化铝原料 由铝土矿提纯得到纯Al2O3设备 原理 在熔化条件下 Al2O3=2Al3+3O2阴极 4Al3+12e=4Al 阳极 6O212e=3O2总反应式： 注意：冰晶石作熔剂，降低Al2O3的熔点；电解过程中，定期补充碳块；由铝矾土制备纯Al2O3。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

19、+、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：Cu2e=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 1原理：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

20、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。2实验分析：电镀铜实验（1）待镀件需酸洗去除表面的锈。（2）电镀液CuSO4中加氨水制成铜氨溶液以降低Cu2+浓度使镀层光亮。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

21、上析出银的质量是（ ）A27mg B54mg C108mg D216mg分析根据离子放电顺序，先写出两极的电极反应式：阳极：4OH4e=O2+2H2O阴极：4Ag+4e=4Ag其中OH来自水，所以总的电解反应式：4Ag+2H2O4Ag+O2+4H+ 或 4AgNO3+2H2O4Ag+ O2+4HNO3因为有HNO3生成，所以pH要变小。生成HNO3的物质的量为(10-310-6)0.50.510-3mol，所以析出银的质量为0.510-3mol108g/mol=54mg 答案：B例2如图所示A为一张浸透淀粉碘化钾溶液并滴有酚酞试剂的滤纸，a、b为两张紧贴在滤纸上的铂片，并用导线和直流电源M、N

22、两极相连接，通电后，在a周围观察到无色溶液变为蓝色。（1）电源哪一个极是正极？哪极是负极？（2）b周围可观察到什么现象？为什么？分析本题装置实际上是电解KI溶液，由于a、b为铂电极是惰性电极，则在阳极上放电的应是I，其电极 反应为：2I2e=I2；阴极是水电离出来的H+放电，其电极反应为：2H+2e=H2，由于H+在阴极上不断放电，破坏了水的电离平衡，使阴极附近OH浓度增大。从题给条件分析可知，a周围观察到蓝色，说明有I2生成，所以a为阳极、b为阴极，而与之相连中的电源M极为正极，N极为负极，b周围酚酞试液变红色。答案：（1）M是电源的正极，N为负极；（2）b极周围可看到溶液红色，因为b极为阴

23、极，其电极反应为2H+2e=H2，由于H+不断放电破坏了水的电离平衡，OH增大，使得b极附近碱性增大，酚酞变红。例3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：A例4串联电路中的四个电解池分别装有0.1m

24、olL-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（ ）ACuCl2 BNaCl CAgNO3 DKNO3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H|ClO，溶液呈中性，pH增大（实际上由于生成HCl、HC

25、lO， 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：C例5将两个铂电极插入500mL CuSO4(aq)中进行电解，通电一段时间后，某一电极上增重0.064g(设电解时无H2放出，且不考虑水解和溶液体积的变化)，此时溶液中氢离子的物质的量浓度约为（ ）A110-3molL-1 B410-3molL-1C210-3molL-1 D11

26、07 molL-1分析由于最后溶液中的H+主要由电解CuSO4溶液产生，所以要计算c(H+)，可依据电解的离子方程式2Cu2+2H2O2Cu+O2+4H+进行解题。题中电极增重0.064g必为阴极反应生成Cu所致，即n(Cu)=0.064g64gmol-1=0.0010mol，然后依据离子方程式中各物质之间的化学计量数之比，求出生成的c(H+)。2Cu2+2H2O2Cu +O2+4H+ 2mol 4mol0.0010mol c(H+)0.50Lc(H+)= =4.010-3molL-1答案：B例6某学生试图用电解法根据电极上析出物质的质量来验证阿伏加德罗常数值，其实验方案的要点如下：用直流电电

27、解氯化铜溶液所用仪器如图45： 在电流强度为IA，通过时间为ts后，精确测得某电极上析出的铜的质量为mg。试回答：(1)连接这些仪器的正确顺序为(用图中的英文字母表示，下同)E接_，C接_，_接F。实验线路中的电流方向为_C_。(2)写出B电极上发生反应的离子方程式_，G试管中淀粉KI溶液变化的现象为_，相应的离子方程式是_。(3)为精确测定电极上析出铜的质量，所必需的实验步骤的先后顺序是_。(选填下列操作步骤的编号)称量电解前电极质量刮下电解后电极上的铜并清洗用蒸馏水清洗电解后的电极低温烘干电极后称量低温烘干刮下的铜后称量再次低温烘干后称量至恒重(4)已知电子的电量为1.61019C。试列出阿伏加德罗常数的计算表达式：NA_。分析本题综合考查学生设计实验的能力，并注意了与物理学科的交叉和渗透。本题解题要点如下：图中U型电解槽外接的试管G，是用来吸收阳极放出的Cl2，由此判断A为阴极，该极应通过电流计接在蓄电池的负极上；欲精确测量电极上析出铜的质量，宜采用称量电极在电解前后质量差的方法，而不能用“刮下”的方法；根据电量相等： ，可求得阿伏加德罗常数。答案：(1)D A B ； F B A D E(2)2Cl2eCl2 变蓝色 Cl2+2I2Cl十I2(3)(4)