資源簡介

(共39張PPT)
第四章 化學反應與能量
第二節 電解池
第1課時 電解池
教學目標
1、教學目標
1) 通過對氯化銅溶液電解過程的分析，了解電解、電解池的概念，認識電解是電能轉化為化學能的一種重要形式。
2) 形成系統分析電解池的一般思路和方法，能初步設計簡單的電解池。
3) 初步了解在電解過程中，粒子的放電順序與其氧化性、還原性的關系，能解釋或推測電解反應的產物，并能用電極反應和總反應進行表征。
4) 能分析電解飽和食鹽水、電鍍、精煉銅和電冶金的反應原理，認識電解在實現物質轉化和儲存能量中的具體應用，體會電解對人類社會進步的重要貢獻。
2、教學重點和難點
1) 重點：電解原理；電極反應的分析與表征。
2) 難點：電解池思維模型的建構。
證據推理與模型認知
一個能自發進行的氧化還原反應通常可以設計成原電池，如：Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ CuCl2(aq) H＜0。
Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ Cu2＋(aq) ＋ 2Cl (aq)
自發的電子轉移
電子轉移是非自發的
Cu(s) ＋ Cl2(g) ＝ Cu2＋(aq) ＋ 2Cl (aq)
＋
實驗驗證
科學探究與實驗驗證
教材P101·實驗4 2 CuCl2溶液的電解
1) 實驗操作：
在U形管中注入質量分數為25%的CuCl2溶液，插入兩跟石墨棒作電極。把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在與直流電源正極相連的石墨棒附近。接通直流，觀察U形管內的現象和試紙顏色的變化。
2) 實驗現象：
陰極：
陽極：
陰
極
陽
極
溶液的藍色逐漸褪去，石墨棒上逐漸覆蓋一層紅色的物質
有氣泡產生，濕潤的碘化鉀淀粉試紙變成藍色
(銅)
(Cl2)
宏觀辨識與微觀探析
3) 現象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
通電前CuCl2溶液中的主要離子有Cu2＋、Cl 、H＋和OH ，在溶液中做無方向性的熱運動
通電后由于陽極的電勢比陰極的電勢高，溶液中的陰離子(Cl 和OH )主要向陽極移動、陽離子(Cu2＋和H＋)主要向陰極移動
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
離子遷移方向
“＋－、－＋”
宏觀辨識與微觀探析
3) 現象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
電解過程中，在陰極附近大量的Cu2＋和少量H＋都有得到電子的趨勢，但由于Cu2＋比H＋具有更強的氧化性且占據濃度優勢，因此陰極表面Cu2＋優先得電子
OH-
H+
OH-
H+
Cu
陰極：Cu2＋ ＋ 2e ＝ Cu (還原反應)
宏觀辨識與微觀探析
3) 現象分析
OH-
Cl-
Cl-
Cu2+
Cu2+
H+
Cl-
Cl-
同理在陽極附近，大量的Cl 和少量OH 都有失去電子的趨勢，但由于Cl 比OH 具有更強的還原性且占據濃度優勢，因此陽極表面Cl 優先失電子。
OH-
H+
OH-
H+
Cl2
陽極：2Cl 2e ＝ Cl2↑ (氧化反應)
宏觀辨識與微觀探析
4) 電極反應
陽極(＋)：2Cl 2e ＝ Cl2↑ (氧化反應)
陰極(－)：Cu2＋ ＋ 2e ＝ Cu (還原反應)
小知識：陰、陽離子在電極表面失去或得到電子的過程叫放電
化學方程式： CuCl2 === Cu ＋ Cl2↑
通電
結論：在直流電源作用下，溶液中的CuCl2發生了反應，生成Cu和Cl2
電解池相關概念
1) 電解：
使電流通過電解質溶液或熔融電解質而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。
2) 電解池(電解槽)：
將電能轉化為化學能的裝置
注：電解質溶液(或熔融電解質)的導電過程，就是電解質溶液(或熔融電解質)的電解過程。是化學變化。
3) 電極與電極反應
電化學中規定：發生氧化反應的為陽極，發生還原反應的陰極
電解池相關概念
3) 電極與電極反應
電化學中規定：發生氧化反應的為陽極，發生還原反應的陰極
電極
材料
惰性電極 (僅導電不參與反應)
活性電極 (既導電又能參與反應)
如：碳棒、Pt、Au
除Pt、Au外金屬
陽極：與直流電源正極相連的電極，陽極上活性電極本身或電解質溶液(或熔融電解質)中還原性強的陰離子失電子，發生氧化反應。
陰極：與直流電源負極相連的電極，陰極上電解質溶液(或熔融電解質)中氧化性強的陽離子得電子，發生還原反應。
電解池相關概念
4) 電解池的構成條件
具有直流電源
兩個電極
電解質溶液或熔融電解質
形成閉合回路
5) 電子和離子的移動方向
①電子的流動方向：電子從電源負極沿導線流入電解池的陰極，陽極失去電子，電子沿導線流回電源正極。
(電子不下水)
②離子的移動方向：陽離子移向陰極；陰離子移向陽極
(“＋－、－＋”或陰陽相吸)
隨堂練習
練、如圖是電解氯化銅溶液的裝置，其中c、d為石墨電極，則下列有關判斷正確的是( 　 )
A. a為負極，b為正極
B. a為陽極，b為陰極
C. 電解過程中，d電極質量增加
D. 電解過程中，氯離子濃度不變
C
電極反應規律
1) 陽極：活性電極 ＞ S2 ＞ I ＞ Br ＞ Cl ＞ OH /H2O ＞
(最高價含氧酸根離子)＞F
水溶液中沒有機會失電子
注意：1) 關注電極材料 2) 記準 I ＞Cl ＞ OH /H2O
2) 陰極：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H2O
＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca＋＞K＋
只在熔融狀態下放電
注意：1) Fe3＋→Fe2＋ 2) 記準 Ag＋ > Fe3＋ > Cu2＋ > H＋
溫馨提示：電解過程中離子的放電順序受多方面因素影響，這里只介紹離子放電順序的一般規律，若在試題中出現不符合此規律的提示，應按照試題的引導及客觀事實對電極反應進行分析。切勿將此規律生搬硬套。
小結：用惰性電極進行電解時的電解規律
電解類型
舉例
物質類別 實例
含氧酸
強堿
活潑金屬的
含氧酸鹽
無氧酸
不活潑金屬的無氧酸鹽
活潑金屬的無氧酸鹽
不活潑金屬的含氧酸鹽
溶液pH
變化
溶液復
原方法
電極反應
陽極：
陰極：
陽極：
陰極：
陽極：
陰極：
陽極：
陰極：
陽極：
陰極：
H2SO4
NaOH
Na2SO4
2H2O 4e ＝O2 ↑+4H＋
4H2O+4e ＝2H2↑+4OH
減小
增大
不變
H2O
HCl
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H＋+2e ＝H2↑
增大
HCl
CuCl2
2Cl 2e ＝ Cl2↑
Cu2＋+2e ＝ Cu
CuCl2
NaCl
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H2O+2e ＝H2↑+2OH
增大
HCl
CuSO4
2H2O 4e ＝O2 ↑+4H＋
Cu2＋+2e ＝ Cu
減小
CuO
僅溶劑
水電解
僅溶質
電解
溶質和
溶劑同
時電解
隨堂練習
練、請寫出用惰性電極電解下列溶液的總反應方程式
(1) NaCl溶液：
(2) CuSO4溶液：
(3) AgNO3溶液：
2NaCl＋2H2O ==== 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
電解
2CuSO4＋2H2O ==== 2Cu＋2H2SO4＋O2↑
電解
4AgNO3＋2H2O ==== 4Ag＋4HNO3＋O2↑
電解
隨堂練習
練、0.50 L KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO3 )＝6 mol/L，用石墨作電極電解此溶液，當通電一段時間后，兩極均收集到11.2 L氣體(標準狀況)，假定電解后溶液體積仍為0.50 L，下列說法正確的是(　　)
A. 原混合溶液中c(K＋)為2 mol/L
B. 上述電解過程中共轉移8 mol電子
C. 電解得到的Cu的物質的量為0.5 mol
D. 電解后溶液中c(H＋)為4 mol/L
1、計算原則
1) 陽極失去的電子數等于陰極得到的電子數
2) 串聯電路中通過各電池的電子總數相等
3) 電源輸出的電子總數和電解池中轉移的電子總數相等
2、計算的方法 (電子守恒法)
O2 ~ 2Cu ~ 4Ag ~ 4H＋ ~ 2H2 ~ 2Cl2 ~ 4OH ~ 4e
C
第四章 化學反應與能量
第二節 電解池
第2課時 電解原理的應用
環節一：電解飽和食鹽水
1) 氯堿工業：
用電解飽和氯化鈉溶液的方法來制取氫氧化鈉、氫氣和氯氣，并以它們為原料生產一系列化工產品的工業，稱為氯堿工業。
2) 電解飽和食鹽水的反應原理
①通電前：溶液中含有的離子:_____________________
通電時：移向陽極的離子是:____________
移向陰極的離子是:____________
Na＋、Cl 、H＋、OH
Cl 、OH
Na＋、H＋
電解前 陰、陽兩極的現象 電解后
環節一：電解飽和食鹽水
②陽極反應式:_________________
陰極反應式:_________________________
2Cl 2e ＝ Cl2↑
2H2O ＋ 2e ＝2OH +H2↑
③電解的總反應式
化學方程式:_________________________________
離子方程式:_________________________________
2NaCl+2H2O === 2NaOH+H2↑+Cl2↑
通電
2Cl +2H2O === 2OH +H2↑+Cl2↑
通電
說明：在此實驗中，電解產物之間能夠發生化學反應，如NaOH溶液能與Cl2發生生成NaClO，H2和Cl2混合后遇熱或光照會發生爆炸。在工業生產中，為了避免產物的混合，需使反應在特殊的電解槽中進行
環節一：電解飽和食鹽水
3) 氯堿工業生產流程
(離子交換膜法制燒堿)
① 生產設備名稱：離子交換膜電解槽
陰極：涂覆有鎳涂層的碳鋼網；
陽極：涂覆著鈦、釕等氧化物涂層的金屬鈦網；
陽離子交換膜：只允許陽離子通過(陰離子和氣體不能通過)，把電解槽隔成陰極室和陽極室。
環節一：電解飽和食鹽水
Cl
Cl
Cl
Cl
Cl2
Na＋
＋
－
Na＋
Na＋
Na＋
Na＋
OH
H＋＋OH
H2O
H＋＋OH
H2O
H2
H2O
(含少量NaOH)
精制飽和
食鹽水
淡鹽水
濃NaOH溶液
陽離子交換膜
陽極室
陰極室
H2
Cl2
陰極
陽極
離子交換膜法電解飽和食鹽水原理示意圖
離子交換膜的作用：
1) 防止產生的H2(陰)和Cl2(陽)相混合而引起爆炸；
2) 避免氯氣與氫氧化鈉反應，而影響氫氧化鈉產量。
環節一：電解飽和食鹽水
②有人利用電解飽和食鹽水的原理設計一個制備少量NaClO消毒液的電解裝置，如圖所示。請補充完整圖中的信息，在虛線框中畫出電源符號，并寫出電解反應方程式。
陰極：___________________________
陽極：___________________________
總反應：_________________________
電解法制備NaClO溶液裝置
導管
電極材料:_______
電極材料:_______
電解質溶液:________
－
＋
石墨
石墨
NaCl
NaCl+H2O===NaClO+H2↑
通電
2H2O＋2e ＝2OH +H2↑
Cl 2e +2OH ＝ClO +H2O
環節一：電解飽和食鹽水
陽極
－
－
－
陽
膜
陰膜
陰膜
陽
膜
陰膜
陽膜
陰極
出口1
出口2
電滲析法淡化海水裝置
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
Na＋
Cl－
③ 利用隔膜法電解飽和食鹽水的原理還可設計一種淡化海水的裝置，如圖所示。請在圖中標出各室中Na＋和Cl 的遷移方向，并在出口處標注“濃鹽水”和“淡水”。
淡水
濃鹽水
環節一：電解飽和食鹽水
(2020 浙江) 在氯堿工業中，離子交換膜法電解飽和食鹽水的裝置如圖所示。下列說法不正確的是( )
A. 電極A為陽極，發生氧化反應生成氯氣
B. 離子交換膜為陽離子交換膜
C. NaCl飽和溶液從a處進，NaOH溶液從d處出
D. OH 遷移的數量等于導線上通過電子的電量
H2
Cl2
a
b
c
d
電極A
電極B
離子交換膜
H2
Cl2
環節一：電解飽和食鹽水
4) 氯堿工業產品及其應用
電
解
飽
和
食
鹽
水
NaOH
含氯漂白劑
Cl2
H2
HCl
有機合成
氯化物合成
造紙、玻璃
肥皂、紡織
印染
有機合成
農藥
鹽酸
有機合成
金屬冶煉
液堿
濕氯氣
濕氫氣
環節二：電鍍
1) 概念:
利用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的加工工藝。
3) 電鍍實驗裝置(電鍍池)
2) 目的:
使金屬增強防銹抗腐蝕能力，增加表面硬度和美觀
＋ ﹣
電鍍原理示意圖
直流電源
ZnSO4
溶液
鋅片
待鍍
鐵制品
待鍍金屬(鍍件)：作陰極
鍍層金屬：作陽極
電鍍液：含有鍍層金屬離子
環節二：電鍍
3) 電鍍實驗裝置(電鍍池)
＋ ﹣
電鍍原理示意圖
直流電源
ZnSO4
溶液
鋅片
待鍍
鐵制品
待鍍金屬(鍍件)：作陰極
鍍層金屬：作陽極
電鍍液：含有鍍層金屬離子
陽極反應式: _______________
陰極反應式: _______________
Zn 2e ＝Zn2＋
Zn2＋+2e ＝Zn
溫馨提示：離子的放電順序主要取決于離子本身性質，陰極還與離子濃度、溶液pH有關；陽極還與電壓有關。
4) 特點：陽極溶解、陰極沉積、電鍍液的濃度保持不變
環節三：金屬的電解精煉
1) 粗銅：火法煉銅得到的粗銅純度約為98%左右，含有Ni、Fe、Zn、Au、Ag等雜質，不能滿足電氣工業的要求，經過電解精煉可以得到純度在 99.95% ~ 99.98%的電解銅。
粗銅
CuSO4溶液
精銅
2) 試設計一個電解精煉銅裝置
陽極：粗銅板
陰極：純銅板
電解液：硫酸酸化的CuSO4溶液
(目的：加硫酸以增強溶液導電性)
環節三：金屬的電解精煉
陽極：
Cu－2e ＝Cu2＋(主)
Zn－2e ＝Zn2＋ (次)
Ni－2e ＝Ni2＋ (次)
Fe－2e ＝Fe2＋ (次)
3) 電解過程
說明：金屬活動順序表中位于Cu前的Zn、Ni、Fe等金屬雜質也會同時失去電子，是陽極的副反應。而位于Cu后的Au、Ag等金屬因失電子能力較弱，難以變成陽離子而溶解，當陽極上的Cu失電子溶解后，它們以金屬單質的形式沉積在電解槽底部形成“陽極泥”，陽極泥是提煉金、銀等貴金屬的原料。
環節三：金屬的電解精煉
陽極：
Cu－2e ＝Cu2＋(主)
Zn－2e ＝Zn2＋ (次)
Ni－2e ＝Ni2＋ (次)
Fe－2e ＝Fe2＋ (次)
3) 電解過程
陰極：Cu2＋＋2e ＝Cu
說明：溶液中大量的Cu2＋、一定量的H＋和少量Zn2＋、Ni2＋、Fe2＋等離子，均具有得電子能力，但Cu2＋濃度最大且得電子能力最強，因此在陰極得電子還原為Cu附著陰極上，陰極上就得到了精銅。
隨堂練習
練、金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量鐵、鋅、銅、鉑等雜質，可用電解法制備高純度的鎳，下列敘述正確的是( )
(已知：氧化性Fe2＋ < Ni2＋ < Cu2＋)
A. 陽極發生還原反應，其電極反應式: Ni2＋＋2e ＝Ni
B. 電解過程中，陽極質量的減少與陰極質量的增加相等
C. 電解后，溶液中存在的金屬陽離子只有Fe2＋和Zn2＋
D. 電解后，電解槽底部的陽極泥中有銅和鉑
D
環節四：電冶金
電解是最強有力的氧化還原手段，因此電解法是冶煉金屬的一種重要方法。對于像Na、Ca、Mg、Al這樣的活潑金屬，電解幾乎是唯一可行的工業方法。
1) 電解熔融NaCl制取金屬鈉
陽極:
陰極:
總反應:
2Cl ﹣2e ＝ Cl2↑
2Na+ + 2e ＝2Na
2NaCl(熔融) === 2Na+Cl2↑
通電
環節四：電冶金
2) 電解冰晶石(Na3AlF6) 氧化鋁共熔物制取鋁
說明：由于Al2O3的熔點很高，而熔融的冰晶石能夠溶解氧化鋁。冰晶石 氧化鋁熔鹽的熔點相對較低，這樣有利于工業化的生產。
陽極C
電解質(上)
(氧化鋁和冰晶石)
煙罩
熔融態鋁
陰極C
環節四：電冶金
2) 電解冰晶石(Na3AlF6) 氧化鋁共熔物制取鋁
陽極:
陰極:
總反應:
6O2 ﹣12e ＝ 3O2↑
4Al3+ + 12e ＝ 4Al
2Al2O3(熔融) ==== 4Al + 3O2↑
通電
冰晶石
溫馨提示：
① 實際反應很復雜，上式只是簡要的表示形式。
② 陽極產生O2，在此反應溫度下陽極石墨與O2發生反應：
C＋O2→CO2或CO，因此陽極的石墨需要定時更換。
隨堂練習
(21·國乙)沿海電廠采用海水為冷卻水，但在排水管中生物的附著和滋生會阻礙冷卻水排放并降低冷卻效率。為解決這一問題，通常在管道口設置一對惰性電極(如圖所示)，通入一定的電流。

下列敘述錯誤的是(　　)
A. 陽極發生將海水中的 Cl－氧化生成 Cl2的反應
B. 管道中可以生成氧化滅殺附著生物的NaClO
C. 陰極生成的H2應及時通風稀釋安全地排入大氣
D. 陽極表面形成的Mg(OH)2等積垢需要定期清理
D
拓展：電化學中電極名稱
1、中學化學中，原電池：正、負極，電解池：陰、陽極
2、正、負極是根據電子流入還是流出規定的
3、在電化學中(原電池和電解池都是電池)，電極名稱是依據反應類型來確定的，規定發生氧化反應的電極均是陽極，發生還原反應的電極均是陰極。
隨堂練習
(21·國甲)乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如下圖所示的電化學裝置合成。圖中的雙極膜中間層中的H2O解離為H＋和OH ，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。下列說法正確的是(　　)

A. KBr在上述電化學合成過程中只起電解質的作用
B. 陽極上的反應式為HO C C OH＋2H＋＋2e →HO C C H ＋H2O
C. 制得2 mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1 mol電子
D. 雙極膜中間層中的H＋在外電場作用下向鉛電極方向遷移
O O
O O
D
隨堂練習
(20·國Ⅰ)科學家近年發明了一種新型Zn CO2 水介質電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體CO2被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

下列說法錯誤的是(　　)
A. 放電時，負極反應為Zn 2e ＋4OH ＝Zn(OH)42
B. 放電時，1 mol CO2轉化為HCOOH，轉移的電子數為2 mol
C. 充電時，電池總反應為2Zn(OH)42 ＝2Zn＋O2↑＋4OH ＋2H2O
D. 充電時，正極溶液中OH 濃度升高
D
謝謝

展開更多......

收起↑