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电解原理及应用

编　　稿：贺　　新　　　　审　　稿：路季滨　　　　责　　编：顾振海

　　教学重点：电解原理

　　一、电解原理
　　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。

　　2．电解池的组成：
　　⑴阳极——与电源正极相连　　
　　　阴极——与电源负极相连

　　⑵形成条件:
　　①直流电源　
　　②两个电极　
　　③电解质溶液(或熔化的电解质)　
　　④形成闭合回路

　　3．电解反应类型
　　⑴惰性电极：（电极不参加反应）
　　①只有电解质参加的反应

　　　例：电解CuCl2溶液

　　　阴极反应：Cu2++2e-=Cu
　　　阳极反应：2Cl--2e-=Cl2↑
　　　总反应：CuCl2 Cu+Cl2↑

　　　在电场作用下，CuCl2溶液中阳离子（Cu2+，H+）向阴极移动，阴离子（Cl-，OH-）向阳极移动。Cu2+得电子能力大于H+，Cl-失电子能力大于OH-。

　　②只有水参加的反应：

　　　例：电解H2SO4溶液

　　　阳极：4OH--4e-=2H2O+O2↑
　　　阴极：2H++2e-=H2↑
　　　总反应：2H2O 2H2↑+O2↑

　　　电解H2SO4溶液，相当于电解水，不断电解过程中H+浓度增大，H2SO4浓度增大，溶液pH值减小。

　　③水和电解质均参加反应。

　　　例：电解NaCl溶液

　　　阳极：2Cl--2e-=Cl2↑
　　　阴极：2H++2e-=H2↑
　　　总反应：2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH

　　　电解过程中H+得电子，破坏水的电离平衡，H2OH++OH-，水的电离平衡向右移动，溶液pH值增大。


　　⑵电极参加反应[金属做阳极（除Pt外）]：

　　　例：金属作阳极时，金属失电子，而不是阴离子失电子。在阳极，Cu失电子能力大于SO42-、OH-，因此电极Cu首先失电子：

　　　阳极反应：Cu-2e-=Cu2+
　　　阴极反应：2H+-2e-=H2↑
　　　总反应：Cu+2H+ Cu2++H2↑

　　　从总反应看出不活泼的Cu将较活泼H置换出来，不符合金属活动顺序表，因此化学反应能不能发生没有严格界限，不能自发进行的反应，提供能量（如电解）也能进行。

　　二、电解反应规律：
　　1．当惰性材料做电极时，阴、阳离子放电顺序为：



　 盐的类型 实　　例 参加电解物质 溶液pH 使溶液复原应加入物质
1、 A-C盐 Na2SO4　 KNO3 H2O 不变 H2O
A的碱 KOH　 　 NaOH 增大
C的酸 H2SO4 　 HNO3 减小
2、 B-D盐 CuCl2　 HgCl2 电解质 不定 CuCl2、HgCl2
D的酸 HCl　　　 HBr 增大 HCl、HBr
3、 A-D盐 NaCl　 　 KBr H2O+电解质 增大 HCl、HBr
4、 B-C盐 CuSO4　 AgNO3 减小 CuO、Ag2O


　　说明：
　　①阴阳离子在两极上放电顺序复杂，与离子性质、溶液浓度、电流强度、电极材料等都有关，不应将放电顺序绝对化，以上仅是一般规律。

　　②电解过程中析出的物质的量（或析出物质的质量）：在电解若干串联电解池中的溶液时，各阴极或阳极所通过的电量相等，析出物质的量取决于电路中通过的电量。

　　2．金属作阳极（Pt除外）时，金属失电子发生氧化反应，阴极上阳离子放电顺序不变。

　　三、电解原理的应用

　 电解食盐水 电解Al2O3(熔融态) 电　　镀 电解精炼
装置示意图 　
阴极反应 2H++2e-=H2↑ 4Al3++12e-=4Al Zn2++2e-=Zn Cu2++2e-=Cu
（精铜）
阳极反应 2Cl--2e-=Cl2↑ 6O2--12e-=3O2↑ Zn-2e-=Zn2+ Cu-2e-=Cu2+
（粗铜）
电解总反应 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑ 2Al2O34Al+3O2↑ — —
说　　明 (1)阴极室与阳极室应用隔膜分开。
(2)食盐水需经净化，除Mg2+、Ca2+、SO42-等离子。		 (1)为降低Al2O3熔点，需加助熔剂（冰晶石）。
(2)阳极生成的O2与碳反应，生成CO2，需要定期更换石墨阳极。电解生成的铝积存在槽底，定期汲出。
(3)实际过程复杂，上述反应仅是粗略的表示		 (1)镀件必须作阴极。
(2)镀层金属作阳极。
(3)用含镀层阳离子的溶液作电镀液。		 (1)粗铜作阳极，溶解下来。
(2)精铜作阴极。


　　说明：金属冶炼

　　四、原电池和电解池的区别和联系

　 原电池 电解池
能量转化 化学能→电能 电能→化学能
反应特征 自发进行的氧化还原反应 非自发进行的氧化还原反应
电极名称 由电极本身决定
负极：相对较活泼金属
正极：相对不活泼金属		 由电源决定
阴极：与负极相连
阳极：与正极相连
电极反应 负极：氧化反应
正极：还原反应		 阴极：还原反应
阳极：氧化反应
装置特征 无电源，两极不同 有电源，两极可以相同，也可以不同
电子流动方向
溶液中离子流向 阳离子移向正极
阴离子移向负极		 阳离子移向阴极
阴离子移向阳极
联　　系 两者均发生氧化还原反应


　　说明：
　　电解池有两种连接方式：串联、并联

　　五、介绍几种常见的电池
　　1、普通锌锰电池(干电池)
　　干电池是用锌制圆筒形外壳负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充ZnCl2、NH4Cl和淀粉作正极，在石墨周围有MnO2作去极剂(吸附正材放出的H2，防止产生极化现象)。

　　电极反应为：
　　负极：Zn—2e-=Zn2+
　　正极：2NH4++2e-=2NH3+H2　　　　　 H2+2MnO2=Mn2O3+H2O

　　正极产生的NH3又和ZnCl2作用：Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+

　　淀粉糊的作用是提高阴、阳离子在两个电极的迁移速度。

　　电池的总反应式：2Zn+4NH4Cl+2MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O

　　干电池的电压通常约为1.5V，不能充电再生。

　　2、铅蓄电池
　　铅蓄电池可放电和充电，具双重功能。它是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳，在正极板上有一层棕褐色PbO2，负极板是海绵状金属铅，两极均浸在一定浓度的H2SO4溶液中，且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开。

　　蓄电池放电时，电极反应为：
　　负极：Pb+SO42——2e-=PbSO4
　　正极：PbO2+4H++SO42—+2e-=PbSO4+2H2O

　　当放电进行到底硫酸浓度降低，溶液密度达1.18时，即停止放电，而需将蓄电池进行充电：
　　阳极：PbSO4+2H2O—2e-=PbO2+4H++SO42—
　　阴极：PbSO4+2e-=Pb+SO42—

　　当溶液密度增加到1.28时，应停止充电。蓄电池充电和放电的总反应式为：
　　PbO2 + Pb+2H2SO4 2PbSO4+2H2O

　　目前，有一种形似干电池的充电电池，它实际式一是种银锌电池(电解液为KOH)，电池反应为：
　　Zn+Ag2O+H2O Zn(OH)2+2Ag

　　3、纽扣电池
　　常见的纽扣电池为银锌电池，它用不锈钢制成一个又正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓KOH，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解质溶液隔开。

　　电极反应：
　　负极：Zn + 2OH——2e-=ZnO+H2O
　　正极：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH—

　　电池总反应式：Ag2O+Zn=2Ag+ZnO

　　一粒纽扣电池的电压达1.59V，安装在电子表里可使用2年之久。

　　4、氢氧燃料电池
　　氢氧燃料电池是一种高效低污染的新型电池，主要用于航天领域。它的电极材料一般为活化电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭碳电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。

　　电极反应为：
　　负极：H2 2H　　　　 2H+2OH——2e-=2H2O
　　正极：O2+2H2O+4e-=4OH—

　　电池总反应为：2H2+O2=2H2O

　　5、微型电池
　　常用于心脏起博器和火箭的一种微型电池叫锂电池，它是用金属锂作负极，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl2)中组成。

　　电池总反应式为：8Li +3SOCl2 =6LiCl +Li2SO4 + 2S

　　这种电池容量大，电压稳定，能在—56.7～71.1℃温度范围内正常工作。

　　6、海水电池
　　1991年，我国首创以铝—空气—海水为能源的新型电池，用作水标志灯已研制成功。该电池以海水为电解质，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。

　　电极反应为：
　　负极：Al —3e-=Al3+
　　正极：O2+ 2H2O+4e- =　 4OH—

　　电池总反应式为：4Al+3O2 +6H2O=4Al(OH)3

　　这种海水电池的能量比干电池高20——50倍

　　7、特种电池
　　在电池家族中，不经化学反应却能产生电流的电池也异军突起。如太阳能电池就是利用晶体硅和非晶体硅为材料制成的一种将太阳能转化为电能的装置。这种电池前景广阔，据预测，到21世纪中期，全世界电力总耗量的20——30%将由太阳能电池提供。

　　六、例题分析

　　例1．如图所示右边的金属片发生氧化反应的是（　 ）

　　分析与解答：
　　金属发生氧化反应就是失去电子形成阳离子进入溶液。金属原子失去电子的途径可以是在原电池中的活泼金属发生氧化反应而失去电子，或在外加电场作用下失去电子发生氧化反应。A装置中Zn接的是电源的负极，氧化剂在Zn表面所得电子为电源所提供。B、D中的Cu与Fe均是与比其活泼的金属相联接，氧化剂在其电极表面所得电子为第一活泼金属所提供。C装置中右边的Cu联接的是电源的正极，电源正极不断将其上的电子转移走，Cu将以Cu2+进入溶液而不断溶解。

　　答案：C

　　例2．电解原理在化学工业中有广泛应用。下图表示一个电解池，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NaCI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)

　　分析与解答：
　　本题较好的考查了学生对电化学基础知识、电解的原理的考查，侧重基础知识点及其应用。　
　　(1)①2H++2e-=H2↑　　 放出气体，溶液变红
　　　 ②2Cl--2e-=C12↑　 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-=Cu2+

　　例3．将两个铂电极插入500mL CuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)，此时溶液中氢离子浓度约为（　 ）
　　A．4×10-3mol/L　
　　B．2×10-3mol/L　
　　C．1×10-3mol/L　
　　D．1×10-7mol/L

　　分析与解答：
　　根据电解规律可知阴极反应:Cu2++2e-=Cu，增重0.064gCu，应是Cu的质量,根据总反应方程式： 　　
　　2CuSO4+2H2O2Cu + O2↑ + 2H2SO4 → 4H+　　
　　　　　　　　　　　2×64g　　　　　　 　　　4mol
　　　　　　　　　　　0.064g　　　　　　 　　　x
　　x=0.002mol
　　c(H+)==4×10-3mol/L

　　答案：A

　　本周练习：
　　1．某碱性蓄电池在充电和放电时发生的反应为：Fe+NiO2+2H2O Fe(OH)2+Ni(OH)2，下列说法中正确的是（　 ）
　　A．放电时，负极上发生反应的物质是Fe
　　B．放电时，正极反应是：NiO2+2e+2H+=Ni(OH)2
　　C．充电时，阴极反应是：Ni(OH)2-2e+2OH-=NiO2+2H2O
　　D．充电时，阳极附近pH值减小

　　分析与解答：
　　根据原电池在放电时，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，再根据元素化合价变化，可判断该电池负极发生反应的物质为Fe，正极为NiO2，此电池为碱性电池，在书写电极反应和总电池反应方程式时不能出现H+，故放电时的电极反应是:负极:Fe-2e-+2OH-=Fe(OH)2，正极：NiO2+2e-+2H2O=Ni(OH)2+2OH-。原电池充电时，发生电解反应，此时阴极反应为原电池负极反应的逆反应，阳极反应为原电池正极反应的逆反应，由此可判断正确选项应为A、D。

　　答案：A、D

　　2．甲、乙两个容器中，分别加入0.1mol/LNaCl溶液与0.1mol/LAgNO3溶液后，以Pt为电极进行电解时，在A、B、C、D各电极上生成物的物质的量之比为：__________。

　　分析与解答：
　　此装置相当于两个电解槽串联到一起,在整个电路中电子转移总数相等.首先判断各极是阳极还是阴极，即电极名称，再分析各极发生的反应A极(阴极)反应:2H++2e-=H2↑，B极(阳极)反应:2Cl--2e-=Cl2↑；C极(阴极)反应：Ag++e-=Ag；D极(阳极)反应:4OH--4e-=2H2O+O2↑，根据电子守恒法可知,若整个电路中有4mol电子转移,生成H2、Cl2、Ag、O2的物质的量分别为：2mol、2mol、4mol、1mol因此各电极上生成物的物质的量之比为：2:2:4:1。

　　3．有三个烧杯，分别盛有氯化铜，氯化钾和硝酸银三种溶液；均以Pt作电极，将它们串联在一起电解一定时间，测得电极增重总和2.8克，这时产生的有色气体与无色气体的物质的量之比为（　 ）
　　A．4：1　　
　　B．1：1　　
　　C．4：3　　
　　D．3：4

　　分析与解答：
　　串联电路中，相同时间内各电极得或失的电子的物质的量相同，各电极上放出气体的物质的量之比为定值。不必注意电极增重是多少。只要判断出生成何种气体及生成该气体一定物质的量所得失电子的物质的量，就可以通过电子守恒，判断气体体积之比，第一个烧杯中放出，第二烧杯中放出Cl2和H2，第三烧杯中放出O2。在有1mol电子转移下，分别是0.5 mol，0.5 mol，0.5 mol和0.25mol。所以共放出有色气体0.5+0.5=1(mol)(Cl2)，无色气体0.5+0.25=0.75(mol)(O2和H2)

　　答案：C