1.2.3電解池的工作原理及應(yīng)用課件高二上學(xué)期化學(xué)選擇性必修1

選擇性必修一學(xué)化JS第二單元化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化3電解池的工作原理及應(yīng)用工業(yè)上分別以NaCl和Al2O3為原料，生產(chǎn)金屬鈉和金屬鋁。你知道工業(yè)生產(chǎn)中是如何實(shí)現(xiàn)此過程的嗎？上述過程中發(fā)生了什么形式的能量轉(zhuǎn)化？溫故知新電解熔融氯化鈉2NaCl

2Na+Cl2↑電解熔融氧化鋁2Al2O34Al+3O2↑能量轉(zhuǎn)化方式:電能→化學(xué)能利用原電池能實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化。而在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，人們常常需要通過電解的方法使許多不能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)順利進(jìn)行，電解過程中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。圖1-19是電解熔融態(tài)氯化鈉的原理圖。請與同學(xué)交流討論下列問題：交流討論1.通電前（圖1-20左圖）和通電后（圖1-20右圖），熔融態(tài)氯化鈉中Na＋和Cl－的運(yùn)動有何差異？請?jiān)趫D1-20右側(cè)中用箭頭示意Na＋和Cl－的運(yùn)動情況。通電前，熔融氯化鈉發(fā)生電離，Na+和Cl-自由移動。通電后，Na+和Cl-在電場的作用下定向移動。Cl-→陽極Na+→陰極與電源負(fù)極相連的電極稱為陰極與電源正極相連的電極稱為陽極2.通電后電極表面分別發(fā)生了什么化學(xué)反應(yīng)？請寫出兩電極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式。陽極：陰極：3.請分析電解過程中電子的流向。氯化鈉在高溫下熔融并發(fā)生電離，生成可以自由移動的Na＋和Cl－。在電場中，Na＋和Cl－分別向與電源負(fù)極和電源正極相連的電極定向遷移。與電源負(fù)極相連的電極上有電子流入，Na＋在該電極上得到電子，被還原為鈉原子；在與電源正極相連的電極上，Cl－將電子轉(zhuǎn)移給該電極，有電子流出，Cl－被氧化為氯原子，兩個氯原子結(jié)合成氯分子。其電極反應(yīng)式和電解總反應(yīng)式可表示為：-+陰極：2Na＋＋2e－===2Na

陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑總反應(yīng)：2NaCl2Na+Cl2↑電子：電源負(fù)極→陰極電子：陽極→電源正極還原反應(yīng)

氧化反應(yīng)在直流電的作用下，在兩電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程叫電解。電解過程中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。因此，人們把將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置稱為電解池。在電解池中，與電源負(fù)極相連的電極是陰極，在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)；與電源正極相連的電極是陽極，在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)。電解質(zhì)溶液陰極陽極還原反應(yīng)氧化反應(yīng)電解池工作原理陽離子（+）陰離子（-）+-電子流出電子流入如圖1-21所示，U形管中裝有氯化銅溶液，插入兩根石墨棒作為電極，接通直流電源，將濕潤的淀粉碘化鉀試紙放在陽極附近，觀察U形管內(nèi)的現(xiàn)象和試紙顏色的變化。觀察思考1.在氯化銅溶液中存在Cu2＋、H＋、Cl－和OH－，請根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)指出，在直流電的作用下，哪些離子優(yōu)先在電極上發(fā)生反應(yīng)。2.寫出電極反應(yīng)式和電解總反應(yīng)式。水是一種極弱的電解質(zhì)，能電離出少量的H＋和OH－實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象①溶液顏色_______；②陰極上有__________生成；③陽極附近有刺激性氣味的氣體產(chǎn)生，能使?jié)駶櫟牡矸?KI試紙______。變淺紅色物質(zhì)變藍(lán)實(shí)驗(yàn)結(jié)論電解CuCl2溶液，生成了銅和氯氣電解氯化銅溶液時，理論上Cu2＋、H＋都可能在陰極上被還原。由于Cu2＋優(yōu)先于H＋

在電極上發(fā)生反應(yīng)，因此，在陰極Cu2＋得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)生成銅：Cu2＋＋2e－===Cu同理，OH－、Cl－均可能在陽極被氧化，由于Cl－優(yōu)先于OH－在電極上發(fā)生反應(yīng)，因此，在陽極Cl－失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣：2Cl－－2e－===Cl2↑電解反應(yīng)為:CuCl2===Cu+

Cl2↑通電電解原理在生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。對于比較活潑的金屬，我們常用電解其熔融鹽的方法制取，如工業(yè)上鈉、鎂的制取是通過電解熔融氯化鈉、氯化鎂，而鋁的制取是通過電解熔融氧化鋁。在氯堿工業(yè)中，通過電解飽和食鹽水獲得重要的化工原料——燒堿和氯氣。電解飽和食鹽水時，發(fā)生如下反應(yīng)：交流討論2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑請與同學(xué)交流討論下列問題：1.在氯化鈉溶液中存在Na＋、H＋、Cl－和OH－，請根據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)指出哪些離子優(yōu)先在電極上發(fā)生反應(yīng)。2.寫出陰極和陽極的電極反應(yīng)式。3.如圖1-23所示，電解池的陰極區(qū)和陽極區(qū)用陽離子交換膜隔開，使得陰極區(qū)的OH－不能進(jìn)入陽極區(qū)。電解飽和食鹽水時為什么要阻止陰極區(qū)的OH－進(jìn)入陽極區(qū)？電解CuCl2溶液電解NaCl溶液溶液中的電離溶液中的離子放電離子H2O?H++OH-NaCl=Na++Cl-H2O?H++OH-CuCl2=Cu2++2Cl-陽離子：Na+、水電離的

H+陰離子：Cl-

、水電離的OH-陽離子：Cu2+、

水電離的H+陰離子：Cl-

、

水電離的OH-陰極：Cu2＋＋2e－===Cu陰極：2H＋＋2e－===H2

陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑2

H2O＋2e－===H2+2OH-當(dāng)用惰性電極電解電解質(zhì)溶液時，陰、陽極放電有什么規(guī)律？思考：工業(yè)電解飽和食鹽水存在什么隱患？電解飽和食鹽水必須解決兩個主要問題:(1)避免Cl2接觸NaOH溶液會反應(yīng),使產(chǎn)品不純。反應(yīng)方程式:

.Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O(2)避免生成物H2和Cl2混合，混合后遇火或遇強(qiáng)光爆炸.解決方法:使用離子交換膜NaCl溶液2Cl－－2e－===Cl2↑2

H2O＋2e－===H2+2OH-如果得到產(chǎn)物NaOH,陰極側(cè)生成OH-，還需要Na+移向陰極，而我們要避免OH-移向陽極與產(chǎn)物Cl2反應(yīng)，所以應(yīng)選擇陽離子交換膜。－+Cl2Cl—H2Na+H+OH—淡鹽水NaOH溶液精制飽和NaCl溶液H2O（含少量NaOH）陽離子交換膜陽極陰極陽極室陰極室陽離子交換膜電解槽電解池放電規(guī)律陽極：還原性強(qiáng)的離子優(yōu)先放電。

惰性電極活性電極（除金、鉑、C以外材料時）金屬電極失電子陰極：氧化性強(qiáng)的離子優(yōu)先放電。陰極始終是溶液中的陽離子得電子，與電極材料無關(guān)分析電解問題的基本方法思路（1）分清楚電解池的陰極和陽極（2）通電前：電解質(zhì)溶液中含有哪些陰、陽離子(包括水電離出的H＋和OH－)。（3）通電時：陰離子移向陽極，陽離子移向陰極，結(jié)合放電順序分析誰優(yōu)先放電。（4）正確書寫電極反應(yīng)式，要注意原子數(shù)、電荷數(shù)是否守恒。（5）能結(jié)合題目要求分析電解時的各種變化情況，如兩極現(xiàn)象、離子濃度的變化、pH變化等。電解——人類創(chuàng)造新物質(zhì)的重要手段學(xué)科提煉電的發(fā)明是人類歷史上一個重要的里程碑，不僅提高了人類的生活質(zhì)量，還實(shí)現(xiàn)了從電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，“顛覆”了對化學(xué)變化的傳統(tǒng)認(rèn)識，一些在通常條件下不能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)在通電條件下成為了現(xiàn)實(shí)。電解幫助人類創(chuàng)造出更多自然界不存在的新物質(zhì)，成為化學(xué)重要分支——電化學(xué)或能源化學(xué)的基礎(chǔ)，因此也形成了電解工業(yè)。從本質(zhì)上看，電解就是借助電流分解反應(yīng)物，將電子提供給溶液或熔融態(tài)中的某些微粒，使其獲得電子生成新的物質(zhì)。在使用電解手段之前鋁是稀缺金屬，時至今日每年通過電解得到的鋁已逾千萬噸計(jì)，成為生產(chǎn)、生活中常用的金屬材料。電解除廣泛應(yīng)用于金屬礦物冶煉、金屬精煉外，還促進(jìn)了電鍍、污水處理等領(lǐng)域的技術(shù)革命，為新的制造業(yè)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。銅的電解精煉拓展視野圖1-24是銅的電解精煉示意圖。⑴粗銅所含的雜質(zhì)Zn、Fe、Ni、Ag、Au等CuSO4溶液⑵粗銅的精煉陽極--粗銅陰極--純銅電解液--CuSO4溶液

Zn－2e－＝Zn2+Fe－2e－＝Fe2+Ni－2e－＝Ni2+Cu－2e－＝Cu2+陽極：Au、Ag---陽極泥陰極：

Cu2++2e－＝Cu思考：精煉銅時，電解液中的Cu2＋濃度是否會發(fā)生改變？Cu2＋濃度會下降精煉銅的電解槽中的電解液是用硫酸酸化的硫酸銅溶液。與直流電源正極相連的電極是含有鋅、金、銀等雜質(zhì)的粗銅塊，作為電解池的陽極，它在電解時發(fā)生氧化反應(yīng)，金屬銅和比銅活潑的金屬雜質(zhì)（如鋅等）轉(zhuǎn)化為陽離子進(jìn)入溶液，粗銅中金、銀等活動性較弱的金屬在陽極沉積下來，形成陽極泥。分離、處理陽極泥可得到金、銀等貴重金屬。與直流電源負(fù)極相連的電極是純銅薄片，作為電解池的陰極，溶液中的銅離子獲得電子成為金屬銅析出，得到純度大于99.9%的精銅（電解銅）。電鍍是應(yīng)用電解的原理在某些金屬或其他材料制品表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程。電鍍除了提升美觀和增加表面硬度之外，更主要的目的是增強(qiáng)材料的抗腐蝕能力，防止金屬氧化等，所以電鍍所用的鍍層金屬通常是一些在空氣中或溶液里不易被腐蝕的金屬或合金，如鉻、鎳、銀、銅等。電鍍——鐵釘鍍鋅基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備儀器：托盤天平、燒杯、試管、玻璃棒、鑷子、藥匙、導(dǎo)線、細(xì)砂紙、直流電源（6~9V）。藥品和試劑：鐵釘、鋅片、2mol·L－1NaOH溶液、濃鹽酸、ZnCl2、KCl、硼酸、濃硝酸、蒸餾水。2.實(shí)驗(yàn)操作（1）電鍍液配制：先向燒杯中加入50mL蒸餾水，加入3.5gZnCl2，再加入12.5gKCl、1.5g硼酸，攪拌使固體溶解，調(diào)節(jié)溶液的pH為5~6。

（2）鍍件的處理：用細(xì)砂紙打磨鐵釘，用水洗凈；把鐵釘放入80°C2mol·L－1NaOH溶液中浸泡5min，除去油污，洗凈；再將鐵釘放入45°C的濃鹽酸中浸泡2min，取出，洗凈；最后將鐵釘放入V(濃硝酸)∶V(水)＝1∶100的稀硝酸中浸泡3~5s，取出，洗凈。（3）電鍍操作：用燒杯作電鍍槽，加入電鍍液，用鋅片作陽極，鐵釘作陰極，接通6V的直流電源，電鍍20~25min，觀察并記錄現(xiàn)象。3.記錄與結(jié)論金屬材料電鍍時，通常以待鍍金屬制品為陰極，以鍍層金屬為陽極，用含有鍍層金屬離子的溶液作電解質(zhì)溶液。在直流電的作用下，鍍層金屬在待鍍金屬制品表面形成均勻、光亮而致密的鍍層（圖1-27）。電鍍池結(jié)構(gòu)+待鍍金屬制品鍍層金屬－含有鍍層金屬離子的溶液①陰極-待鍍金屬制品②陽極-鍍層金屬③電解質(zhì)溶液-含有鍍層金屬離子的溶液電鍍的特點(diǎn)電鍍液的組成及酸堿性保持不變電解精煉池、電鍍池的比較電解精煉池電鍍池定義形成條件電極名稱應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一層其它金屬的裝置。①鍍層金屬接電源正極，待鍍金屬接電源