高中化学 35 电解池

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电解池的定义

电解池是将电能转化为化学能的装置。它通过外接直流电源，使电流通过电解质溶液或熔融电解质，在阴阳两极引起氧化还原反应。

电解池的构成条件

直流电源：提供电能，使电解池中的反应能够发生。电源的正极连接电解池的阳极，负极连接电解池的阴极。

两个电极：与电源正极相连的是阳极，与电源负极相连的是阴极。电极材料可以是惰性电极（如石墨、铂等），也可以是活性电极（如铜、锌等金属）。惰性电极在电解过程中不参与电极反应，只起导电作用；活性电极则会参与电极反应。

电解质溶液或熔融电解质：电解质在溶液中或熔融状态下能够电离出自由移动的离子，这些离子在电场作用下定向移动，在电极表面发生氧化还原反应。

电解池的工作原理

以电解氯化铜溶液为例，当接通直流电源后，溶液中的\(Cu^{2+}\)向阴极移动，\(Cl^{-}\)向阳极移动。在阴极，\(Cu^{2+}\)得到电子发生还原反应生成铜，电极反应式为\(Cu^{2+}+2e^{-}=\!=\!=Cu\)；在阳极，\(Cl^{-}\)失去电子发生氧化反应生成氯气，电极反应式为\(2Cl^{-}-2e^{-}=\!=\!=Cl_{2}\uparrow\)。总反应式为\(CuCl_{2}\stackrel{电解}{=\!=\!=}Cu + Cl_{2}\uparrow\)。

电极反应式和电解反应方程式的书写

电极反应式的书写步骤：

首先判断电极材料是惰性电极还是活性电极。如果是惰性电极，则溶液中的离子在电极表面发生氧化还原反应；如果是活性电极，则活性电极本身先发生氧化反应。

确定电极上发生反应的离子。根据离子的放电顺序，阳离子在阴极得电子发生还原反应，阴离子在阳极失电子发生氧化反应。常见离子的放电顺序为：阴极，\(Ag^{+}>Hg^{2+}>Fe^{3+}>Cu^{2+}>H^{+}\)（酸）\(>Pb^{2+}>Sn^{2+}>Fe^{2+}>Zn^{2+}>H^{+}\)（水）\(>Al^{3+}>Mg^{2+}>Na^{+}>Ca^{2+}>K^{+}\)；阳极，活性电极\(>S^{2-}>I^{-}>Br^{-}>Cl^{-}>OH^{-}>含氧酸根离子\(>F^{-}\)。

根据得失电子守恒和电荷守恒，写出电极反应式。

电解反应方程式的书写：将阳极反应式和阴极反应式相加，消去电子后得到电解反应的总方程式。需要注意的是，在相加时要使得失电子数相等。

电解规律及产物判断

电解含氧酸、强碱溶液和活泼金属的含氧酸盐溶液：实质是电解水。例如，电解稀硫酸、氢氧化钠溶液、硫酸钠溶液等，阳极产生氧气，阴极产生氢气，溶液的浓度增大，pH可能会发生变化。

电解无氧酸溶液（除HF外）和不活泼金属的无氧酸盐溶液：无氧酸溶液电解时，电解质本身被电解。例如，电解盐酸，阳极产生氯气，阴极产生氢气，盐酸的浓度减小。不活泼金属的无氧酸盐溶液电解时，电解质和水都被电解，如电解氯化铜溶液，阳极产生氯气，阴极产生铜，溶液的浓度减小。

电解活泼金属的无氧酸盐溶液：电解质和水都被电解，阳极产生氯气等非金属单质，阴极产生氢气，同时生成碱。例如，电解氯化钠溶液，阳极产生氯气，阴极产生氢气，同时在阴极附近溶液中生成氢氧化钠。

电解不活泼金属的含氧酸盐溶液：电解质和水都被电解，阳极产生氧气，阴极析出不活泼金属，同时生成酸。例如，电解硫酸铜溶液，阳极产生氧气，阴极产生铜，同时溶液中生成硫酸。

电解原理的应用

电解饱和食盐水制取烧碱、氯气和氢气：这是氯碱工业的基础，电解饱和食盐水的总反应式为\(2NaCl + 2H_{2}O\stackrel{电解}{=\!=\!=}2NaOH + H_{2}\uparrow+Cl_{2}\uparrow\)。

电镀：应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法。电镀时，镀件作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电镀液。例如，在铁制品上镀铜，铁制品作阴极，铜作阳极，硫酸铜溶液作电镀液。

电解精炼铜：以粗铜作阳极，纯铜作阴极，硫酸铜溶液作电解液，通过电解可将粗铜中的杂质去除，在阴极得到纯度较高的铜。阳极反应式为\(Cu - 2e^{-}=\!=\!=Cu^{2+}\)，比铜活泼的金属杂质也会在阳极失去电子进入溶液，比铜不活泼的金属杂质则会形成阳极泥；阴极反应式为\(Cu^{2+}+2e^{-}=\!=\!=Cu\)。

电冶金：对于一些活泼金属，如钠、镁、铝等，常用电解其熔融盐或氧化物的方法来制取。例如，电解熔融的氯化钠制取金属钠，电解熔融的氧化铝制取金属铝等。