电解

Q: 为什么固态离子化合物不导电？

固态离子化合物中的离子被固定在巨型晶格结构中，不存在可自由移动的带电粒子来传导电流。只有当化合物处于熔融状态或溶于水时，离子才可以自由移动。

Q: 如何判断一个电极反应是氧化反应还是还原反应？

可以使用两个助记口诀：1. OIL RIG：氧化即失电子，还原即得电子。2. Red Cat：还原反应发生在阴极，因此氧化反应始终发生在阳极。

爱德思国际普通中等教育证书化学· 1.55C–1.60C· 25 分钟阅读

1. 离子化合物与共价化合物的导电性★★☆☆☆⏱ 5 min

导电性需要可自由移动的带电粒子（离域电子或可移动离子）来传导电流。这一性质可以区分可导电的离子化合物和不导电的简单共价化合物。

📘 定义

电解质

在熔融状态或溶于水时可导电，且在电解过程中会发生化学分解的物质。所有电解质都属于离子化合物。

简单共价化合物在任何状态下都不导电，因为它们由中性分子构成，不存在自由离子或离域电子。石墨这类巨型共价结构是例外，但它们不属于电解质。

离子化合物在固态时不导电，因为其离子被强离子键束缚在固定晶格中。当处于熔融状态或溶于水时，离子键断裂，释放出可自由移动的离子来传导电流。

📐 例题

解释为什么固态碘化钾不导电，但碘化钾水溶液可以导电。

1
碘化钾是离子化合物，在固态下具有巨型离子晶格结构。
2
在固态下，K⁺和I⁻离子被固定在特定位置，不存在可自由移动的带电粒子来传导电流。
3
当溶于水时，离子晶格解体，K⁺和I⁻离子可以自由移动并传导电荷，因此该溶液可以导电。

Exam tip:

在回答导电性相关问题时一定要提到“可自由移动的带电粒子”，这是获得满分的必答得分点。

2. 电解核心术语与氧化还原反应分类★★★☆☆⏱ 6 min

Cation: Positively charged ion, attracted to the negative cathode
Anion: Negatively charged ion, attracted to the positive anode
Cathode: Negative electrode, where reduction (electron gain) occurs
Anode: Positive electrode, where oxidation (electron loss) occurs

📘 定义

半方程式

展示单个电极处电子转移情况的离子方程式，必须同时配平方程式两侧的原子总数和总电荷数。

📐 例题

判断反应 $2 O^{2 -} \to O_{2} + 4 e^{-}$ 属于氧化反应还是还原反应，并说明该反应发生在哪个电极。

1
判断电子转移情况：氧离子总共失去4个电子生成氧气。
2
应用OIL RIG口诀：失电子即为氧化反应。
3
应用Red Cat口诀：氧化反应发生在阳极。
4
最终答案：氧化反应，阳极。

3. 熔融态离子化合物的电解★★★☆☆⏱ 5 min

由两种元素构成的熔融二元离子化合物仅包含该化合物自身的离子，因此产物预测十分直接。金属阳离子始终在阴极放电，非金属阴离子则在阳极放电。

📐 例题

使用惰性电极预测熔融溴化铅(II)（PbBr₂）的电解产物，并写出每个反应的配平半反应式。

1
识别存在的离子：Pb²⁺（铅阳离子）和Br⁻（溴阴离子）。
2
阴极反应：Pb²⁺离子得到2个电子，生成金属铅（还原反应）：
3
$Pb^{2+} + 2e^- \rightarrow Pb$
4
阳极反应：2个Br⁻离子各失去1个电子，生成溴单质气体（氧化反应）：
5
$2Br^- \rightarrow Br_2 + 2e^-$
6
最终产物：阴极处生成金属铅，阳极处生成溴气。

Exam tip:

对于熔融电解质，你完全不需要考虑来自水的离子，只需要处理题目给出的纯离子化合物解离出的离子即可。

4. 水溶液的电解★★★★☆⏱ 7 min

水溶液中包含水部分解离产生的H⁺和OH⁻离子，以及溶解的溶质带来的离子，总共有四种离子。产物预测遵循两条简单规则：

Cathode rule: Hydrogen gas ( $H_{2}$ ) is produced unless the metal cation is less reactive than hydrogen (below H in the reactivity series, e.g. Cu²⁺, Ag⁺), in which case solid metal is deposited.
Anode rule: Oxygen gas ( $O_{2}$ ) is produced from OH⁻ ions unless the solution has a high concentration of halide ions (Cl⁻, Br⁻, I⁻), in which case the halogen gas is produced. Sulfate and nitrate ions are never discharged, so oxygen is always produced for these anions.

📐 例题

使用惰性电极预测浓氯化钠水溶液（卤水）的电解产物，并写出配平的半反应式。

1
识别存在的离子：来自NaCl的Na⁺、Cl⁻，以及来自水的H⁺、OH⁻。
2
阴极：在活动性顺序表中Na排在H之前，因此H⁺放电生成氢气：
3
$2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2$
4
阳极：Cl⁻离子浓度很高，因此Cl⁻优先于OH⁻放电生成氯气：
5
$2Cl^- \rightarrow Cl_2 + 2e^-$
6
最终产物：阴极处生成氢气，阳极处生成氯气，剩余氢氧化钠溶液。

📐 例题

使用惰性电极预测稀硫酸铜(II)水溶液的电解产物。

1
识别存在的离子：来自CuSO₄的Cu²⁺、SO₄²⁻，以及来自水的H⁺、OH⁻。
2
阴极：在活动性顺序表中Cu排在H之后，因此Cu²⁺放电生成固态铜沉积物：
3
$Cu^{2+} + 2e^- \rightarrow Cu$
4
阳极：SO₄²⁻离子性质稳定，因此OH⁻放电生成氧气：
5
$4OH^- \rightarrow O_2 + 2H_2O + 4e^-$
6
最终产物：阴极处生成金属铜，阳极处生成氧气。

Exam tip:

务必检查卤化物溶液是浓溶液还是稀溶液：稀卤化物溶液会生成氧气而非卤素单质，这一细节会改变阳极产物。

5. 必修实验：水溶液的电解★★★☆☆⏱ 4 min

你需要能够描述使用惰性电极探究水溶液电解的标准操作流程，以及如何检验生成的产物：

Set up the circuit: connect two inert graphite electrodes to a low-voltage (4-6V) power supply, and place them in a beaker of the aqueous electrolyte.
To collect gaseous products, invert test tubes filled with water over each electrode to capture gas.
Turn on the power supply and leave for 5-10 minutes, recording observations (gas bubbles, solid deposits, colour changes).
Test collected gases: hydrogen gives a squeaky pop with a lit splint, oxygen relights a glowing splint, chlorine bleaches damp blue litmus paper.

📐 例题

描述你将如何检验稀硫酸的电解产物，以确认它们的种类。

1
稀硫酸的电解产物为阴极处的氢气和阳极处的氧气。
2
检验阴极气体：将点燃的木条放在收集到气体的试管口，若发出尖锐的爆鸣声，则证明存在氢气。
3
检验阳极气体：将带火星的木条伸入收集到气体的试管中，若木条复燃，则证明存在氧气。

Exam tip:

对于实验有效对照类问题，控制变量包括电压、电极材料、电解质体积与浓度，以及电解时长。

6. 常见陷阱

错误做法:

Stating solid ionic compounds conduct electricity.

原因:

Ions are locked in a fixed lattice in solid ionic compounds, so there are no free-moving charged particles to carry current.

正确做法:

Specify ionic compounds only conduct when molten or dissolved in water, as ions become free to move.

错误做法:

Mixing up anode and cathode reactions, e.g. saying oxidation occurs at the cathode.

原因:

The cathode is negatively charged, so it attracts positive cations that gain electrons (reduction). The anode attracts negative anions that lose electrons (oxidation).

正确做法:

Use the mnemonic Red Cat: Reduction at Cathode, so oxidation always occurs at the anode.

错误做法:

Writing unbalanced half-equations, e.g. $2 C l^{-} \to C l_{2} + e^{-}$ .

原因:

Charge is not balanced: total charge on the left is -2, while total charge on the right is -1.

正确做法:

Balance atoms first, then add electrons to balance charge: $2 C l^{-} \to C l_{2} + 2 e^{-}$ (charge -2 on both sides).

错误做法:

Predicting sodium metal deposition at the cathode for aqueous sodium chloride.

原因:

Sodium is more reactive than hydrogen, so H⁺ ions from water are discharged instead of Na⁺ ions.

正确做法:

Apply the cathode rule: hydrogen is produced unless the metal is below hydrogen in the reactivity series.

错误做法:

Predicting chlorine gas from dilute sodium chloride solution.

原因:

Only concentrated halide solutions produce halogens at the anode; dilute solutions produce oxygen from OH⁻ ions.

正确做法:

Check if the halide solution is concentrated: only produce the halogen if concentration is high, otherwise produce oxygen.

错误做法:

Stating all covalent compounds never conduct electricity.

原因:

Giant covalent structures like graphite have delocalised electrons that conduct, but simple molecular covalent compounds do not.

正确做法:

Specify that simple covalent compounds do not conduct electricity, as they have no free ions or delocalised electrons.

7. 速查表

Electrolyte Type	Cathode Product Rule	Anode Product Rule	Example Half Equations
Molten binary ionic	Metal from compound cation	Non-metal from compound anion	Cathode: $P b^{2 +} + 2 e^{-} \to P b$ Anode: $2 B r^{-} \to B r_{2} + 2 e^{-}$
Aqueous (metal > H in reactivity)	Hydrogen gas ( $H_{2}$ )	O₂ if sulfate/nitrate/dilute halide; halogen if concentrated halide	Cathode: $2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}$ Anode (conc NaCl): $2 C l^{-} \to C l_{2} + 2 e^{-}$
Aqueous (metal < H in reactivity)	Solid metal deposit	Oxygen ( $O_{2}$ ) for sulfate/nitrate anions	Cathode: $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$ Anode (dilute $C u S O_{4}$ ): $4 O H^{-} \to O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-}$

Electrolyte Type

Cathode Product Rule

Anode Product Rule

Example Half Equations

Molten binary ionic

Metal from compound cation

Non-metal from compound anion

Cathode: $P b^{2 +} + 2 e^{-} \to P b$

Anode: $2 B r^{-} \to B r_{2} + 2 e^{-}$

Aqueous (metal > H in reactivity)

Hydrogen gas ( $H_{2}$ )

O₂ if sulfate/nitrate/dilute halide; halogen if concentrated halide

Cathode: $2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2}$

Anode (conc NaCl): $2 C l^{-} \to C l_{2} + 2 e^{-}$

Aqueous (metal < H in reactivity)

Solid metal deposit

Oxygen ( $O_{2}$ ) for sulfate/nitrate anions

Cathode: $C u^{2 +} + 2 e^{-} \to C u$

Anode (dilute $C u S O_{4}$ ): $4 O H^{-} \to O_{2} + 2 H_{2} O + 4 e^{-}$

8. 常见问题

为什么固态离子化合物不导电？

固态离子化合物中的离子被固定在巨型晶格结构中，不存在可自由移动的带电粒子来传导电流。只有当化合物处于熔融状态或溶于水时，离子才可以自由移动。

如何判断一个电极反应是氧化反应还是还原反应？

可以使用两个助记口诀：1. OIL RIG：氧化即失电子，还原即得电子。2. Red Cat：还原反应发生在阴极，因此氧化反应始终发生在阳极。

下一步

Now that you have mastered core electrolysis concepts for Paper 2C, you can apply this knowledge to context-specific applications like the electrolytic extraction of aluminium (covered in Section 2 of the syllabus). Make sure you memorise the product prediction rules and half-equation balancing steps, as these are high-frequency marking points in exams. You should also practice past paper questions on electrolysis to familiarise yourself with common question phrasing and practical method requirements, which are often worth 3-4 marks per question.