AHL: 电解池与标准电极电势

IB 化学 HL· IB Chemistry AHL Topic 19.1, 19.2· 5 分钟阅读

1. 不同电池类型的关键区别★★☆☆☆⏱ 15 min

电解池和原电池都是涉及氧化还原反应的电化学电池，但它们的用途和电极极性相反。原电池利用自发反应发电，而电解池利用电能驱动非自发反应。

📘 定义

阳极和阴极的恒定规则

在所有电化学电池中，氧化始终发生在阳极，还原始终发生在阴极。不同电池类型仅电极极性会发生变化。

例:

电解池中，阳极带正电（吸引阴离子），阴极带负电（吸引阳离子），与原电池相反。

性质	电解池	原电池
氧化还原自发性	非自发	自发
能量流动	需要外部输入	产生能量输出
阳极极性	正 (+)	负 (-)
阴极极性	负 (-)	正 (+)

Exam tip:

IB考官经常考察你是否能正确说出电解池的电极极性，不要和原电池混淆。

2. 利用标准E°预测反应★★★☆☆⏱ 20 min

标准电极电势（ $E^ullet$ ）衡量半反应发生还原反应的倾向。电解时，当存在多种可能时，我们利用这些值确定哪种物质会在每个电极上反应。

在阴极（还原反应）： $E^ullet$ 最正的物质优先被还原
在阳极（氧化反应）： $E^ullet$ 最负的物质优先被氧化

📐 例题

已知电解硫酸铜水溶液时，阴极有两种可能的半反应： $C u^{2 +} (a q) + 2 e^{-} \to C u (s) E^{\circ} = + 0.34 V$ 和 $2 H_{2} O (l) + 2 e^{-} \to H_{2} (g) + 2 O H^{-} (a q) E^{\circ} = - 0.83 V$ 。预测哪种物质被还原。

1
记住， $E^{\circ}$ 最正的物质还原倾向最高。
2
比较两个值：
3
$+0.34\ V > -0.83\ V$
4
结论：二价铜离子在阴极被还原为固体铜金属。

✓ 快速检测

检验你对预测规则的理解

已知 $E_{C l_{2} /2 C l^{-}}^{\circ} = + 1.36 V$ 且 $E_{O_{2} / H_{2} O}^{\circ} = + 1.23 V$ ，哪种物质会优先在阳极氧化？
- 氯离子
- 水
显示答案
Chloride ions —
正确！氯离子氧化后对应的还原E°为-1.36 V，比水的-1.23 V更负，因此氯离子优先氧化。

3. 电解产物★★★★☆HL 专属⏱ 25 min

电解产物取决于电解质是熔融态还是水溶液。熔融电解质仅含有盐的离子，因此产物很容易判断。水溶液电解质还存在水，水可以被氧化或还原，因此会得到不同产物。

📐 例题

预测熔融氯化镁电解的产物。

1
1. 确定所有存在的物种：只有熔融态 $M g^{2 +}$ 和 $C l^{-}$ （没有水）。
2
1. 分配反应： $M g^{2 +}$ 迁移到带负电的阴极被还原； $C l^{-}$ 迁移到带正电的阳极被氧化。
3
1. 写出半反应方程式：
4
$\text{Cathode: } Mg^{2+}(l) + 2e^- \rightarrow Mg(l)$
5
$\text{Anode: } 2Cl^-(l) \rightarrow Cl_2(g) + 2e^-$
6
产物为液态镁金属和氯气。

4. 计算所需最小电压★★★☆☆⏱ 15 min

🚫 计算器禁用

电解的总反应是非自发的，因此 $E_{ce l l}^{\circ}$ 为负值。外部电源必须提供大于该负 $E_{ce l l}^{\circ}$ 绝对值的电压才能驱动反应。 $E_{ce l l}^{\circ}$ 的计算遵循与原电池相同的规则：

E^\circ_{cell} = E^\circ_{cathode\ (reduction)} - E^\circ_{anode\ (reduction)}

📐 例题

已知 $E_{K^{+} / K}^{\circ} = - 2.93 V$ 且 $E_{I_{2} /2 I^{-}}^{\circ} = + 0.54 V$ ，计算电解熔融碘化钾所需的最小电压。

1
1. 确定阴极和阳极反应： $K^{+}$ 在阴极还原， $I^{-}$ 在阳极氧化。
2
1. 代入 $E_{ce l l}^{\circ}$ 公式：
3
$E^\circ_{cell} = (-2.93\ V) - (+0.54\ V) = -3.47\ V$
4
1. 最小电压等于 $E_{ce l l}^{\circ}$ 的绝对值：
5
$V_{min} = |-3.47\ V| = 3.47\ V$

5. 常见陷阱

错误做法:

混淆电解池的阳极和阴极极性

原因:

学生从原电池记住了极性，忘记极性会反转

正确做法:

阳极 = 氧化（永远成立），因此电解池中阳极带正电，阴极带负电

错误做法:

预测水溶液中第一/第二主族金属离子会被还原

原因:

学生忘记水的还原电势比第一/第二主族金属离子更有利

正确做法:

对于含第一/第二主族金属盐的水溶液，水在阴极还原为氢气，不是金属离子被还原

错误做法:

给出电解反应的 $E_{ce l l}^{\circ}$ 为正值

原因:

学生将电解反应的计算规则与自发的原电池混淆

正确做法:

非自发电解反应的 $E_{ce l l}^{\circ}$ 为负值，最小电压是其绝对值

错误做法:

仅依靠 $E^{\circ}$ 预测水溶液卤离子的氧化产物

原因:

学生忘记过电势会改变氯离子、溴离子和碘离子的预测产物

正确做法:

水溶液卤离子（Cl⁻、Br⁻、I⁻）会在阳极氧化为卤素单质，不是水氧化

错误做法:

将熔融电解质和水溶液电解质同等看待

原因:

学生忘记为水溶液电解质添加水可能发生的半反应

正确做法:

预测电解产物前，始终列出所有存在的物种（包括水）

6. 速查表

概念	电解池的核心规则
电极作用	阳极 = 氧化，阴极 = 还原（永远成立）
电极极性	阳极 = +，阴极 = -
还原优先顺序	Most positive $E^{\circ}$ reduces first
氧化优先顺序	Most negative $E^{\circ}$ oxidizes first
最小电压	$V_{min} = ∣ E_{ce l l}^{\circ} ∣$ , $E_{ce l l}^{\circ} < 0$
水溶液卤离子阳极	Halide oxidizes, not water (overpotential)
熔融盐产物	Metal at cathode, non-metal at anode

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2023 · Paper 2
预测电解产物
2022 · Paper 1
计算所需最小电压
2021 · Paper 2
比较电池类型

深入阅读

syllabusIB 化学 HL 大纲第19主题

下一步

本亚主题是AHL电化学的核心内容，在IB化学HL考试的卷1和卷2中经常考察。掌握预测规则和电压计算可以让你应对电解法的定性和定量问题。接下来，你可以学习法拉第电解定律，该定律可以让你根据电流和时间计算生成产物的质量，或者复习原电池，加深你对两种电化学电池差异的理解。