电解池教案人教版

[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 

电解CuCl2 

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 2Cl——2e—=Cl2↑（氧化反应）

　　阴极 Cu2++2e—=Cu（还原反应）

　　电解方程式为：CuCl2Cu+Cl2↑

　　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。 

电解池与直流电源的连接 

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

　　⑴铜的精炼

　　以粗铜做阳极，精铜做阴极，硫酸铜（加入一定量的硫酸）做电解液，如图： 

电解精炼铜原理 

两极反应式如下：

　　阳极Cu—2e—＝Cu2+

　　阴极Cu2++2e—=Cu

　　⑵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：

1、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。

　 　2、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。 

镀铜 

［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

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。

　　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、电极反应式和电解方程式的书写

<1>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：

⑴（普通）化学方程式

⑵氧化还原方程式（标出电子转移方向、数目等）

⑶离子方程式

⑷电离方程式

⑸水解方程式

⑹热化学方程式（标明反应物、生成物的状态及对应的热效应）

⑺电极反应式

⑻电解方程式

　　<2>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

　　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。

　　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；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）

（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：2H2O2H2↑+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：CuCl2Cu+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+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的电解，如CuSO4、AgNO3等。

阴极：2Cu2++4e-=Cu

阳极：4OH--4e-=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：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

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+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑

⑵电镀　 利用电解原理进行设计

镀　　件

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）。

例如：用石墨作电极电解熔融的氧化铝

①原料　 由铝土矿提纯得到纯Al2O3

②设备　 

③原理　 在熔化条件下　 Al2O3=2Al3++3O2—

阴极　 4Al3++12e—=4Al 

阳极　 6O2——12e—=3O2↑

总反应式 

注意：

①冰晶石作熔剂，降低Al2O3的熔点；②电解过程中，定期补充阳极碳块；③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+、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

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++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(10-3-10-6)×0.5≈0.5×10-3mol，所以析出银的质量为0.5×10-3mol×108g/mol=54mg 

答案：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：2I--2e-=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，c(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0.1mol·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：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0.0g(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（　 ）

A．1×10-3mol·L-1　　　 

B．4×10-3mol·L-1

C．2×10-3mol·L-1　　　 

D．1×10-7 mol·L-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0.0g必为阴极反应生成Cu所致，即n(Cu)=0.0g÷g·mol-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　4mol

　　　　　　　　　　0.0010mol　c(H+)×0.50L

　　c(H+)==4.0×10-3mol·L-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：

①用直流电电解氯化铜溶液．所用仪器如图4—5：

②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)

①称量电解前电极质量

②刮下电解后电极上的铜并清洗

③用蒸馏水清洗电解后的电极

④低温烘干电极后称量

⑤低温烘干刮下的铜后称量　　

⑥再次低温烘干后称量至恒重

(4)已知电子的电量为1.6×10—19C。试列出阿伏加德罗常数的计算表达式：NA＝_______。

[解析]

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：

1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；

2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；

3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)2Cl——2e—＝Cl2↑　 变蓝色　 Cl2+2I—＝2Cl—+I2

(3)①③④⑥

　　(4) 

例7．（04广东、11）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：A 

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8．（05天津、12）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：D

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。

例9．（04全国Ⅱ、28）（14分）

在玻璃圆筒中盛有两种无色的互不相溶的中性液体。上层液体中插入两根石墨电极，圆筒内还放有一根下端弯成环状的玻璃搅棒，可以上下搅动液体，装置如图。接通电源，阳极周围的液体呈现棕色，且颜色由浅变深，阴极上有气泡生成。停止通电，取出电极，用搅棒上下剧烈搅动。静置后液体又分成两层，下层液体呈紫红色，上层液体几乎无色。

根据上述实验回答：

（1）阳极上的电极反应式为________________________________。

（2）阴极上的电极反应式为________________________________。

（3）原上层液体是_______________________________________。

（4）原下层液体是_______________________________________。

（5）搅拌后两层液体颜色发生变化的原因是：________________________________。

（6）要检验上层液体中含有的金属离子，其方法是：________________，现象是：__________________。

答案：

（1）2 ＝I2 

（2）2 ＝H2↑

（3）KI（或NaI等）水溶液

（4）CCl4（或CHCl3等）　 

（5）I2在CCl4中的溶解度大于在水中溶解度，所以绝大部分I2都转移到CCl4中

（6）焰色反应　　 透过蓝色钴玻璃观察火焰呈紫色（其它合理答案同样给分。例如，若③中答NaI水溶液，这里答火焰呈黄色。）