高中化学苏教必修2集体备课讲义:专题2 化学反应与能量转化 第3单元 第2课时

第2课时 电能转化为化学能

学习目标

核心素养建构

1.通过对电解氯化铜溶液的实验探究,认识电能转化为化学能的装置。

2.初步认识电解反应原理。

3.能根据原电池、电解池的构成条件识别原电池、电解池。

4.了解电解原理的应用。

[知 识 梳 理]

一、电解原理

1.实验探究:如图为电解氯化铜溶液的实验装置。

(1)通电数分钟后,阴极观察到的现象是有红色物质析出;阳极观察到的现象是有黄绿色刺激性气味气体产生。

(2)实验原理分析与讨论

①通电前,氯化铜溶液中存在的离子是Cu 2+

、Cl -

、H +

、OH -

②通电后,移向阴极的离子是Cu 2+

、H +

,移向阳极的离子是Cl -

、OH -

。 ③阴极电极反应式是Cu 2+

+2e -

===Cu ,阳极电极反应式是2Cl -

-2e -

===Cl 2↑。 (3)反应的化学方程式是CuCl 2=====通电

Cu +Cl 2↑。 2.电解

(1)电解原理:使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应。 (2)电解池

①概念:把电能转化为化学能的装置,也就是借助于电流引起氧化还原反应的装置。 ②构成条件:a.有一个外加直流电源;b.有与电源相连的两个电极;c.两电极插入电解质溶液或熔融态电解质中;d.成闭合回路。

③电极:阴极——连接直流电源负极,在该电极上微粒得到电子,发生还原反应;阳极——连接直流电源正极,在该电极上微粒失去电子,发生氧化反应。

④电子流向:电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极,电子从电解池的阳极沿导线流回电源正极,电流方向与电子流向相反。

⑤电解质溶液中的离子流向:阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动。

【自主思考】

1.从装置上比较原电池与电解池的区别是什么?

提示原电池中没有外加电源,电解池中有外加电源。

2.你怎样判断电解池的阴极和阳极?

提示看连接的电源:与电源负极相连的是电解池的阴极,与电源正极相连的是电解池的阳极。

3.电解质溶液是如何导电的?

提示电解质溶于水电离出能自由移动的离子。通电时,自由移动的离子作定向移动,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极,分别在两极上发生氧化还原反应。

二、电解原理的应用

1.下图为冶炼金属钠电解槽示意图。

(1)熔融氯化钠中存在的微粒:Na+、Cl-。

(2)通电后离子的运动:

阳离子Na+(填离子符号)移向阴极;

阴离子Cl-(填离子符号)移向阳极。

(3)电极反应式:

阴极:2Na++2e-===2Na,阳极:2Cl--2e-===Cl2↑。

(4)结论是熔融的氯化钠在直流电作用下发生了氧化还原反应,分解生成了Na和Cl2。

2.下图为铜的电解精炼示意图。

粗铜作阳极,电极反应式:Cu-2e-===Cu2+

纯铜作阴极,电极反应式:Cu2++2e-===Cu

用硫酸铜溶液作电解液。

【自主思考】

4.铜的精炼过程中,粗铜中的杂质(锌、铁、金、银等)是怎样被除去的?

提示 粗铜中的锌、铁等比铜活泼的金属发生氧化反应,溶解变成金属阳离子进入溶液;银、金等不如铜活泼的金属,在电解过程中不发生反应,沉积在电解池的底部形成阳极泥;而阴极只有Cu 2+

放电,Zn 2+

、Fe 2+

等留在电解质溶液中。

5.从阳极沉积下来的阳极泥中含有哪些金属? 提示 不如铜活泼的金属金、银等。

6.在电解过程中CuSO 4溶液浓度发生怎样的变化? 提示 电解过程中电解质溶液的浓度减少,需及时补充。

[效 果 自 测]

1.判断

(1)只要有电解反应发生就必将发生氧化还原反应。( ) (2)电解池中的两个电极活泼性一定不同。( ) (3)原电池放电和电解池充电互为可逆反应。( ) (4)电解饱和食盐水阳极产生Cl 2。( )

(5)电解时电子的流向为电源负极→阴极→溶液→阳极→电源正极。( ) 答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)×

2.利用电解法可将含有Fe 、Zn 、Ag 、Pt 等杂质的粗铜提纯,下列叙述正确的是( ) A .电解时以纯铜作阳极 B .电解时阴极发生氧化反应

C .粗铜连接电源负极,其电极反应是Cu -2e -

===Cu 2+

D .电解后,电解槽底部会形成含少量Ag 、Pt 等金属的阳极泥

解析 电解精炼铜时,粗铜与电源正极相连,作阳极,电极反应有Cu -2e -

===Cu 2+

,Zn -2e

===Zn 2+,Fe -2e -===Fe 2+,阴极用纯铜与电源负极相连,电极反应为Cu 2++2e -

===Cu ,发生的

是还原反应。电解后阳极形成含少量Pt 、Ag 等较不活泼金属的阳极泥。

答案 D

探究一、电解池与原电池的区别 【合作交流】

1.原电池和电解池的电极名称及其发生反应的类型是什么?

提示 原电池?

????

正极:还原反应负极:氧化反应

电解池?

????

阴极:还原反应阳极:氧化反应

2.原电池和电解池工作时能量转化形式有什么区别?

提示 原电池工作时化学能转化为电能,电解池工作时电能转化为化学能。 【点拨提升】

1.电解池与原电池的联系与区别

【典题例证1】 如图是电解CuCl 2溶液的装置,其中c 、d 为石墨电极。则下列判断中正确的是( )

A .a 为负极、b 为正极

B .a 为阳极、b 为阴极

C .电解过程中,d 电极质量增加

D .电解过程中,氯离子浓度不变

解析 由于电流从电源正极流出,故a 为电源的正极,b 为电源的负极,A 项错误;电源称正、负极,B 项错误;Cu 2+

向阴极移动,d 电极反应为Cu 2+

+2e -

===Cu ,在阴极上析出Cu ,所以d 极质量增加,C 项正确;Cl -

向阳极移动,c 电极反应为2Cl -

-2e -

===Cl 2↑,导致溶液中c (Cl -

)降低,D 项错误。

答案 C

【学以致用1】 某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时,先断开K 2,闭合K 1,两极均有气泡产生;一段时间后,断开K 1,闭合K 2,发现电流表A 指针偏转。下列有关描述正确的是( )

A .断开K 2,闭合K 1时,总反应的离子方程式为:2H +

+2Cl -

=====电解

Cl 2↑+H 2↑ B .断开K 2,闭合K 1时,石墨电极附近溶液变红

C .断开K 1,闭合K 2时,铜电极上的电极反应为:Cl 2+2e -

===2Cl -

D .断开K 1,闭合K 2时,石墨电极作正极

解析 断开K 2,闭合K 1时,为电解池,两极均有气泡产生,说明Cu 极不是阳极,所以阳极(石墨)反应为:2Cl -

-2e -

===Cl 2↑,阴极(Cu)反应为:2H 2O +2e -

===H 2↑+2OH -

(Cu 极附近溶液变红,B 项错误),总电解反应为2Cl -

+2H 2O=====电解

H 2↑+2OH -

+Cl 2↑(A 项错误)。断开K 1,闭合K 2时,为原电池,有Cl 2的石墨为正极(D 项正确),反应为:Cl 2+2e -

===2Cl -

(C 项错误);有H 2的Cu 极为负极,反应为:H 2-2e -

+2OH -

===2H 2O(C 项错误)。

答案 D

探究二、电解时两电极产物的判断与电极反应式的书写 【合作交流】

3.电解池工作时,溶液中的阴、阳离子分别向什么电极移动? 提示 阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。

4.电解硫酸钠溶液时,在阴、阳两极上放电的离子分别是什么? 提示 阴极:H +

,阳极:OH -

【点拨提升】 1. 阳极产物的判断

(1)活性金属电极(金属活动性顺序表中在Ag 之前),电极金属失电子,生成对应的金属阳离子,阴离子不放电。

(2)惰性电极(Au 、Pt 、石墨),溶液中的阴离子失电子,生成对应的非金属单质或高价化合物。 阴离子放电顺序:S 2-

>I -

>Br -

>Cl -

>OH -

>高价态含氧酸根>F -

。 2.阴极产物的判断

与电极材料无关,直接根据阳离子放电顺序进行判断,溶液中的阳离子得电子生成对应的单质或低价化合物

阳离子的放电顺序:Ag +

>Hg 2+

>Fe 3+

>Cu 2+

>H +

>Pb 2+

>Sn 2+

>Ni 2+

>Fe 2+

>Zn 2+

>Mn 2

>较活泼金属阳离子(注意Fe 3+的顺序)。

3.电极反应式与电解反应式的书写(以石墨电极电解CuCl 2溶液为例) (1)电极反应式的书写

①确定阴、阳极。与电源正极相连的为阳极、与电源负极相连的是阴极。 ②分别写出两极上出现的离子。阴极:Cu 2+

、H +

,阳极:Cl -

、OH -

。 ③判断阴、阳极放电顺序。阴极:Cu 2+

>H +

,阳极: Cl -

>OH -

。 ④写电极反应式。列物质→标得失→选离子、配电荷→配原子个数 阴极:Cu 2+

+2e -

===Cu ,阳极:2Cl -

-2e -

===Cl 2↑ (2)电解反应方程式的书写

①通过最小公倍数法使两个电极反应式的电子数相等。 ②把两个电极反应式相加,消去相同项,并注明条件“通电”。 电解CuCl 2溶液总反应方程式为CuCl 2=====通电

Cu +Cl 2↑

【典题例证2】 下图为直流电源电解稀Na 2SO 4水溶液的装置,通电后在石墨电极a 和b 附近分别滴加石蕊溶液。下列实验现象正确的是( )

A .逸出气体的体积:a 电极的小于b 电极的

B .一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气味气体

C .a 电极附近呈红色,b 电极附近呈蓝色

D .a 电极附近呈蓝色,b 电极附近呈红色

解析 Na 2SO 4===2Na +

+SO 2-

4,H 2O 电离出H +

和OH -

,SO 2

4和OH -

移向b 电极,Na +

和H

移向a 电极,在b 电极上:4OH --4e - ===2H 2O +O 2↑,在a 电极上:2H ++2e -

===H 2↑,所以

产生的气体体积a 电极的大于b 电极的;两种气体均为无色无味的气体;由于a 电极上H +

放电,所以a 电极附近的c (OH -

)>c (H +

),滴加石蕊试液a 电极附近变蓝色,同理,b 电极附近变红色。

答案 D

【学以致用2】 关于电解NaCl 水溶液,下列叙述正确的是( ) A .电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠 B .若在阳极附近的溶液中滴入KI 溶液,溶液呈棕色 C .若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液,溶液呈无色

D .电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性

解析 电解氯化钠溶液的方程式为2NaCl +2H 2O=====通电

2NaOH +H 2↑+Cl 2↑。A 选项,在阳极得到氯气,阴极得到氢气、氢氧化钠溶液。B 选项,在阳极附近滴入KI 溶液后,氯气与KI 发生反应生成I 2,溶液呈现棕色。C 选项,在阴极附近滴入酚酞试液,溶液呈现红色。D 选项,电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈碱性。

答案 B

1.下列关于电解池说法正确的是( ) A .电源的负极就是阴极

B .与直流电源正极相连的是电解池的阴极

C .与直流电源负极相连的电极上发生还原反应

D .阳极上发生还原反应

解析 解答本题需了解电解池阴、阳极的判断及电解的特点。电解池的阴、阳极是根据直流电源的正、负极确定的。与电源负极相连的电极为电解池的阴极,该电极上发生还原反应;与电源正极相连的电极为电解池的阳极,该电极上发生氧化反应。

答案 C

2.如图所示装置中,属于电解池的是( )

解析若要形成电解池必须具备以下条件:①有一个外加直流电源;②有两个电极与电源相连;③形成闭合电路;④有电解质溶液或熔融的电解质。

答案C

3.如图所示的两个电解池中,a、b、c和d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b>d。符合上述实验结果的X、Y溶液分别是()

选项X Y

A MgSO4CuSO4

B AgNO3Cu(NO3)2

C FeSO4Al2(SO4)3

D CuSO4AgNO3

解析MgSO4溶液中b极放出H2,A项错误;此时b极、d极分别析出Ag、Cu,满足2e-~2Ag~Cu,若转移2 mol e-则析出216 g Ag,64 g Cu,B项正确;此时电极d上放出H2,C项错误;此时电极b上析出Cu的质量小于d电极析出Ag的质量,D项错误。

答案B

4.如图,电解用粗盐(含Mg2+、Ca2+、SO2-4等杂质)配制的食盐水,以下说法正确的是()

A .a 是电解池的正极

B .a 电极上发生还原反应

C .b 电极附近有白色沉淀出现

D .b 电极上有黄绿色气体产生

解析 a 为阳极,发生氧化反应;b 为阴极,2H +

+2e -

===H 2↑,产生OH -

,与Mg 2+

形成沉淀。

答案 C

5.如图所示,A 、B 两个装置的烧杯中分别盛有足量的CuCl 2溶液。

(1)A 、B 两个装置中属于原电池的是________,属于电解池的是________。

(2)A 池中Zn 是________极,发生________(填“氧化”或“还原”, 下同)反应,电极反应式为____________________________________________________________________。

Cu 是__________极,发生____________反应,电极反应式为___________________。 A 池中总的化学方程式为__________________________________________________。 (3)B 池中C 是________极,发生________反应,电极反应式为____________________________。Pt

________

________

___________________________________________________________________________。

B 池中总的化学方程式为_________________________________________________。 解析 由装置图和题给条件知,A 为原电池,B 为电解池。对于原电池,活泼电极作负极,负极发生氧化反应,不活泼电极作正极,正极上发生还原反应。对于电解池,与电源负极相连为阴极,阴极上发生还原反应, 与电源正极相连为阳极,阳极上发生氧化反应。

答案 (1)A B

(2)负 氧化 Zn -2e -

===Zn 2+

正 还原 Cu 2+

+2e -

===Cu Zn +CuCl 2===ZnCl 2+Cu (3)阴 还原 Cu 2+

+2e -

===Cu 阳 氧化 2Cl -

-2e -

===Cl 2↑ CuCl 2=====电解

Cu +Cl 2↑

课时作业

基础巩固

1.下列关于电解池形成的闭合回路的叙述中,正确的是( ) A .电解池中的闭合电路是由电子的定向运动形成的

B .金属导线中,电子从电源的负极流向电解池的阴极,从电解池的阴极流向电源的正极

C.在电解质溶液中,阴离子向阴极移动,阳离子向阳极移动

D.相同时间内,阳离子在阴极上得到的电子与阴离子在阳极上失去的电子数相等

解析电解池中电解质溶液依靠阴、阳离子的定向移动而导电,电解过程中阴极、阳极得失电子数目守恒。

答案D

2.以下能用电解原理说明的是()

①电解是把电能转化成化学能②电解是把化学能转化成电能③电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化④不能自发进行的氧化还原反应,通过电解的原理可以实现⑤任何溶液被电解时,必然导致氧化还原反应的发生

A.①②③④B.②③⑤

C.③④D.①③④⑤

答案D

3.下列关于电解池的叙述中不正确的是()

A.与电源正极相连的是电解池的阴极

B.与电源负极相连的是电解池的阴极

C.在电解池的阳极上发生氧化反应

D.电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极

答案A

4.在原电池和电解池的电极上所发生的反应,属于氧化反应的是()

A.原电池的正极和电解池的阳极所发生的反应

B.原电池的正极和电解池的阴极所发生的反应

C.原电池的负极和电解池的阳极所发生的反应

D.原电池的负极和电解池的阴极所发生的反应

解析原电池的负极和电解池的阳极所发生的反应为氧化反应,原电池的正极和电解池的阴极所发生的反应为还原反应。

答案C

5.下列描述中,不符合生产实际的是()

A.电解熔融的Al2O3制取铝,用石墨作阳极

B.电解法精炼铜,用纯铜作阴极

C.工业上电解饱和食盐水,可制得烧碱、氢气和氯气

D.电解氯化镁溶液,可制得镁和氯气

解析电解氯化镁溶液阴极反应式为2H++2e-===H2↑,无金属镁生成。工业上通过电解熔融氯化镁制取镁与氯气。

答案D

6.某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液。通电时,为使Cl2被完全吸收制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图的装置,则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是()

A.a为正极,b为负极;NaClO和NaCl

B.a为负极,b为正极;NaClO和NaCl

C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl

D.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl

解析本题考查电解饱和食盐水在生活中的应用。由于要制取消毒液,因此要让电解后的Cl2与NaOH充分反应生成NaCl和NaClO,故与b极相连的电极应为阳极,b为正极,与a极相连的电极为阴极,a为负极。

答案B

7.下列说法正确的是()

A.电解熔融氧化铝制取金属铝,氧化铝只被还原

B.电解熔融NaCl制Na,Na在阴极得到

C.电解水时,在相同条件下,阳极和阴极产生的气体体积比为2∶1

D.电解食盐水制H2、Cl2的过程是把化学能转变为电能的过程

解析Al2O3既被氧化也被还原,A错。NaCl―→Na,Na得电子,所以钠在阴极得到,B正确。电解水时,阳极上产生O2,阴极上产生H2,而V(O2)∶V(H2)=1∶2,C错。电解过程是电能转化为化学能的过程,D错。

答案B

8.某小组设计电解饱和食盐水的装置如图,通电后两极均有气泡产生,下列叙述正确的是()

A.铜电极附近观察到黄绿色气体

B.石墨电极附近溶液呈红色

C.溶液中的Na+向石墨电极移动

D.铜电极上发生还原反应

解析根据电解饱和食盐水的装置,如果通电后两极均有气泡产生,则金属铜一定是阴极,该极上的反应为:2H2O+2e-===H2↑+2OH-,石墨为阳极,发生的电极反应为:2Cl--2e-===Cl2↑,故石墨电极附近观察到黄绿色气体,铜电极附近溶液呈红色,A、B错误,D正确;电解池中,阳离子移向阴极,即移向铜电极,C错误。

答案D

9.用电解法提取氯化铜废液中的铜,方案正确的是()

A.用铜片连接电源的正极,另一电极用铂片

B.用碳棒连接电源的正极,另一电极用铜片

C.用氢氧化钠溶液吸收阴极产物

D.用带火星的木条检验阳极产物

解析由精炼铜原理知提取铜应该用纯铜做阴极,A错误,B正确;若阳极为惰性电极,则阳极氯离子失电子生成Cl2,应该用氢氧化钠溶液吸收,C、D错误。

答案B

10.如下图所示,a是石墨棒、b是铜棒,下列叙述正确的是()

A.烧杯中铜棒是阳极,发生氧化反应,b是阴极,发生还原反应

B.装置工作时,硫酸铜溶液中c(Cu2+)不变

C.往滤纸上滴加酚酞试液,b极附近颜色变红

D.b极附近会生成蓝色固体

解析铜、锌和CuSO4溶液构成原电池,铜为正极,发生还原反应电极反应为Cu2++2e-===Cu,故A、B错误;b与电源负极(Zn)相连,故为阴极,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH -,滴加酚酞会变红,C正确。

答案C

能力提升

11.如图是电解CuCl2溶液的装置,其中c、d为石墨电极。

(1)正极为________(填“a”或“b”),阳极为________(填“c”或“d”)。

(2)阳极电极反应式为________,检验该阳极产物的方法是________________________。

(3)电解一段时间后发现阴极增重6.4 g,则外电路中通过的电子的物质的量是________ mol,若该电解反应所需的电子全部由氢氧燃料电池提供,则至少需要消耗________L氢气(标准状况下)才能满足需要。

答案(1)a c(2)2Cl--2e-===Cl2↑湿润的淀粉碘化钾试纸(3)0.2 2.24

12.电解原理在化学工业中有广泛应用。如图表示一个电解池,装有电解液a;X、Y是两块电极板,通过导线与直流电源相连。请回答以下问题:

(1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在两边各滴入几滴酚酞试液,则

①电解池中X极上的电极反应式为________________。在X极附近观察到的实验现象是________。

②Y电极上的电极反应式为________。检验该电极反应产物的方法是________________。

(2)如要用电解方法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则①X电极的材料是________,电极反应式为_______________。

②Y电极的材料是________,电极反应式为_____________________________________。(说明:杂质发生的电极反应不必写出)

解析用惰性电极电解饱和食盐水时阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑;阴极反应为2H++2e-===H2↑。X极反应产物为H2和NaOH,H2逸出,NaOH使溶液呈现碱性,加入酚酞变红,Y极产生氯气,能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝色;电解精炼铜时阳极(粗铜)上活泼性比铜强的杂质先失去电子,而活泼性比铜差的杂质则形成阳极泥。

答案①2H++2e-===H2↑放出气体,溶液变红

②2Cl--2e-===Cl2↑把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近,试纸变蓝色

(2)①纯铜Cu2++2e-===Cu

②粗铜 Cu -2e -===Cu 2+

13.工业上用电解熔融Al 2O 3的方法制取铝。

(1)写出两极电极反应式,阴极_________________________________________,阳极________________________________________________________________________。

(2)现欲冶炼270 g Al ,需________g Al 2O 3,在标准状况下能产生__________L 气体O 2,转移电子的数目为________。

解析 n (Al)=270

27

mol =10 mol

n (Al 2O 3)=10

2mol =5 mol ,m (Al 2O 3)=5 mol ×102 g/mol =510 g

n (e -

)=10 mol ×3=30 mol V (O 2)=30

4×22.4 L =168 L

N (e -)=30N A

答案 (1)4Al 3+

+12e -

===4Al 6O 2-

-12e -

===3O 2↑ (2)510 168 30N A

14.燃料电池是一种将化学反应产生的能量直接转换成电能的装置。某研究性学习小组在一次活动中,参照下图组装实验装置,以外面缠绕棉花的碳棒为电极,电解质溶液用0.5 mol·L -

1 Na 2SO 4溶液,电源用3~6 V 直流电源,发光二极管起辉电压为1.7 V ,电流为0.6 mA 。

(1)在碳棒电极外面缠绕棉花的作用是______________________________________。 (2)按下开关S 1,半分钟后两碳棒上产生明显的气泡,此时碳棒C 1为________极,装置中发生的总反应的化学方程式为_______________________________________________。

(3)断开开关S 1,按下开关S 2,可观察到的明显现象为________________________;碳棒C 2

为________极,其电极反应式为___________________________________________。

(4)该小组把0.5 mol·L -

1 Na 2SO 4溶液换成0.5 mol·L -

1 NaCl 溶液;当断开开关S 2,按下开关S 1,则检验C 1极产生气体的实验方法:____________________________;一段时间后,当断开开关S 1,按下开关S 2时,电极C 1反应式为_____________________________。

答案 (1)使碳棒吸附较多的气体,有利于形成燃料电池 (2)阳 2H 2O=====通电

O 2↑+2H 2↑

(3)发光二极管发光 负 H 2 -2e -

===2H +

(4)将湿润的淀粉碘化钾试纸置于C1极附近,若试纸变蓝,则说明C1极产生Cl2Cl2+2e-===2Cl-

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