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第四章 化學(xué)反應(yīng)與電能
第二節(jié) 電解池
4.2.2電解原理的應(yīng)用
1、熟知電解飽和食鹽水、電鍍、電解精煉銅、電冶金的原理，會(huì)寫其電極反應(yīng)式及化學(xué)方程式
2、學(xué)會(huì)以電子守恒的觀點(diǎn)進(jìn)行電化學(xué)計(jì)算
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1、上一節(jié)課，我們學(xué)習(xí)了電解原理，知道了電解池的工作原理，也明白了，電解過程時(shí)放電的逆過程，那么電池可以用來供電，那電解池又可以用來干什么了？
思考
一、電解原理的應(yīng)用
1、電解飽和食鹽水
(1)氯堿工業(yè)的概念：燒堿、氯氣都是重要的化工原料，習(xí)慣上把電解飽和食鹽水的工業(yè)生產(chǎn)叫做氯堿工業(yè)(制燒堿、氯氣和氫氣)。
(2)電解飽和食鹽水的原理
原理分析 裝置圖
通電前 氯化鈉溶液中含有的離子是
通電時(shí) 移向陽極的離子是 ，移向陰極的離子是 . 電極反應(yīng) 陽極反應(yīng) 陰極反應(yīng) 化學(xué)方程式 離子方程式 Na＋、Cl－、H＋、OH－
Cl－、OH－
Na＋、H＋
2Cl－－2e－=Cl2↑(氧化反應(yīng))
2H＋＋2e－=H2↑(還原反應(yīng))
2H2O+2NaCl = H2↑+Cl2↑+2NaOH
電解
2H2O + 2Cl- = H2↑ + Cl2↑ + 2OH-
電解
2、若在兩極附近均滴加酚酞試液，會(huì)有什么現(xiàn)象
思考
陰極試液變紅(因H+放電，促進(jìn)了水的電離，使陰極區(qū)溶液顯堿性)！陽極無明顯變化！
3、整個(gè)電解質(zhì)溶液的PH如何變化
PH增大(生成了堿)
4、上述裝置的缺點(diǎn)有哪些？
①H2和Cl2 混合爆炸，不安全
②Cl2會(huì)和NaOH反應(yīng)，會(huì)使得到的NaOH不純
(Cl2+2NaOH=NaCl+ NaClO＋H2O)
5、裝置如何改進(jìn)
使用離子交換膜
(3)氯堿工業(yè)生產(chǎn)流程
工業(yè)生產(chǎn)中，電解飽和食鹽水的反應(yīng)在離子交換膜電解槽中進(jìn)行
①陽離子交換膜電解槽
陰極材料：碳鋼
陽極材料：鈦(起導(dǎo)電作用)
②陽離子交換膜的作用
只允許Na＋等陽離子通過，不允許Cl－、OH－等陰離子及氣體分子通過，可以防止陰極產(chǎn)生的氫氣與陽極產(chǎn)生的氯氣混合發(fā)生爆炸，也能避免氯氣與陰極產(chǎn)生的氫氧化鈉溶液反應(yīng)而影響氫氧化鈉溶液的產(chǎn)量和質(zhì)量
a.能傳導(dǎo)溶液中的陽離子;b.阻止陰離子和氣體分子通過。
－
+
Cl2
Cl-
H2
Na+
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
Na+
氯堿工業(yè):離子交換膜法制燒堿
增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性
①因?yàn)殛枠O產(chǎn)物Cl2和陰極產(chǎn)物H2會(huì)發(fā)生反應(yīng)，Cl2和NaOH會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因此工業(yè)上常用特殊的電解槽電解飽和食鹽水，一般用陽離子交換膜將電解槽分隔成兩部分，以避免電解產(chǎn)物之間發(fā)生反應(yīng)
②陰極室加入含少量NaOH的目的:增強(qiáng)溶液導(dǎo)電性。
③陽極區(qū)Cl－放電生成Cl2，生成的Cl2少量溶于水會(huì)使陽極區(qū)呈酸性
④離子交換膜種類有陽離子交換膜、陰離子交換膜、質(zhì)子交換膜等。
離子交換膜的作用:
a.隔離某些物質(zhì)，防止陰極與陽極產(chǎn)物之間或產(chǎn)物與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng);
b.用于制備某些物質(zhì):通過離子定向移動(dòng)使得陰極區(qū)或陽極區(qū)得到所制備的新物質(zhì);
c.對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分離、提純等。
【幾點(diǎn)強(qiáng)調(diào)】
(4)氯堿工業(yè)產(chǎn)品及其應(yīng)用
①氯堿工業(yè)產(chǎn)品主要有NaOH、Cl2、H2、鹽酸、含氯漂白劑
②電解飽和食鹽水為原理的氯堿工業(yè)產(chǎn)品在有機(jī)合成、造紙、玻璃、肥皂、紡織、印染、農(nóng)藥、金屬冶煉等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用
1、下圖中能驗(yàn)證氯化鈉溶液（含酚酞）電解產(chǎn)物的裝置是 ( )
D
【練一練】
2、關(guān)于電解NaCl水溶液，下列敘述正確的是（ ）
A、電解時(shí)在陽極得到氯氣，在陰極得到金屬鈉
B、若在陽極附近的溶液中滴入KI試液，溶液呈棕色
C、若在陰極附近的溶液中滴入酚酞試液，溶液呈無色
D、電解一段時(shí)間后，將全部電解液轉(zhuǎn)移到燒杯中，充分?jǐn)嚢韬笕芤撼手行?br/>B
【練一練】
鍍金獎(jiǎng)杯 鍍金飾品 景泰藍(lán)
2、電鍍
(1)電鍍的概念：
利用電解原理在某些金屬表面(鍍件)鍍上一薄層其他金屬或合金(鍍層)的加工工藝
(2)電鍍的主要目：使金屬增強(qiáng)抗腐蝕能力，增加表面硬度和美觀
【注意】
鍍層金屬通常是一些在空氣中或溶液里不易起變化的金屬和合金(性質(zhì)比較穩(wěn)定)
(3)電鍍池的構(gòu)成
以在鐵制鑰匙上面鍍銅為例
陽極材料:鍍層金屬Cu
電極反應(yīng)：Cu-2e- =Cu2+
陰極材料:鍍件鐵制鑰匙
陰極(鍍件)：Cu2++2e-=Cu
總反應(yīng)：Cu + Cu2+ = Cu2++Cu
電解
現(xiàn)象：鐵件表面鍍一層紅色的銅，銅片不斷溶解
特點(diǎn)：硫酸銅溶液濃度的變化是不變(Cu2+濃度保持不變。)
陽極 鍍層金屬浸入電鍍液中與直流電源的正極相連作陽極
陰極 待鍍金屬制品與直流電源的負(fù)極相連作陰極 電鍍液 含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)溶液 特點(diǎn) 電鍍時(shí)，電解質(zhì)溶液的濃度保持不變；陽極減少的質(zhì)量和陰極增加的質(zhì)量相等；陽極失電子總數(shù)和陰極得電子總數(shù)相等 電鍍池的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)
3、回答下列問題
①a 、b哪一極為正極(鐵叉是鍍件)？
②若要給鐵叉鍍鋅，a端電極選用什么材料？選擇何種溶液？
e-
鍍件作陰極，所以b為負(fù)極，a為正極。
鋅是鍍層金屬，則a端電極應(yīng)選用純鋅作電極材料；選擇可溶性鋅鹽作電鍍液。
【練一練】
4、若在銅片上鍍銀時(shí)，下列敘述正確的是（ ）
①將銅片接在電源的正極上
②將銀片接在電源的正極上
③在銅上發(fā)生的反應(yīng)是：Ag++e—=Ag
④在銀片上發(fā)生的反應(yīng)是：4OH—-4e—=O2↑+2H2O
⑤需用硫酸銅溶液為電鍍液
⑥需用硝酸銀溶液為電鍍液
A、①③⑥ B、②③⑥ C、①④⑤ D、②③④⑥
B
【練一練】
6、粗銅中含鋅、銀、金等雜質(zhì)，結(jié)合電解原理如何設(shè)計(jì)電解池進(jìn)行粗銅的精煉
思考
3、電解精煉銅
(1)原理:
電解精煉粗銅時(shí)，通常把純銅作陰極，把粗通板(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等)作陽極，用CuSO4溶液作電解質(zhì)溶液，當(dāng)通以直流電時(shí)，作為陽極的粗銅逐漸溶解，在陰極上析出純銅，這樣可得符合電氣工業(yè)要求的純度達(dá)99.95%～99.98%的銅
(2)電極反應(yīng)
①陽極反應(yīng)
Zn - 2e- = Zn2+
Fe - 2e- = Fe2+
Ni - 2e- = Ni2+
Cu - 2e- = Cu2+
Zn Fe Ni
Cu
Ag Au
陽極泥：相對(duì)不活潑的金屬以單質(zhì)的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥
②陰極反應(yīng)
以陽離子形式
留于溶液中
Cu2+ + 2e- =Cu
(3)反應(yīng)特點(diǎn)
銅的電解精煉時(shí)，電解質(zhì)溶液中的Cu2+濃度中有所減小；陽極減少的質(zhì)量和陰極增加的質(zhì)量不相等；陽極失電子總數(shù)和陰極得電子總數(shù)相等(得電子的金屬只有銅，但是失電子的金屬有鐵，鎳，銅)
【注意】
電解精煉中，比需要精煉的金屬活潑的雜質(zhì)溶解，而比需要精煉的金屬不活潑的雜質(zhì)會(huì)沉積(如：精煉鎳時(shí)Cu就會(huì)沉積)
銅精煉陽極爐車間
鎳鐵精煉爐
5、用含少量鐵的粗銅做陽極，純銅片做陰極，硫酸銅溶液做電解液，電解一段時(shí)間后，陽極質(zhì)量減少xg，則（ ）
A、電解液質(zhì)量增加Xg
B、陰極質(zhì)量增加Xg
D陰極質(zhì)量增加ag，且a ＜ x
C、陰極質(zhì)量增加ag，且a＞x
C
【練一練】
6、以硫酸銅溶液做電解液，對(duì)含有雜質(zhì)Fe、Zn、Ag的粗銅進(jìn)行電解精煉，下列敘述正確的是（ ）
①粗銅與直流電源負(fù)極相連
②陰極發(fā)生的反應(yīng)為Cu2+ +2e－＝Cu
④雜質(zhì)Ag以Ag2SO4的形式沉入電解槽形成陽極泥
③電路中毎通過0.5mol電子，得到精銅質(zhì)量為16g
A、 ① ③
D、 ② ③
C、 ③ ④
B、 ② ④
D
【練一練】
電解池、電解精煉池、電鍍池的比較
電解池 電解精煉池 電鍍池
定義
形成 條件
電極 名稱
電極 反應(yīng)
電解質(zhì)濃度
將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能的裝置。
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。
①兩電極接直流電源
②電極插人電解質(zhì)溶液
③形成閉合回路
①鍍層金屬接電源正極待鍍金屬接電源負(fù)極
②電鍍液須含有鍍層金屬的離子
陽極：電源正極相連
陰極：電源負(fù)極相連
陽極：鍍層金屬；
陰極：鍍件
陽極：氧化反應(yīng)
陰極：還原反應(yīng)
陽極：氧化反應(yīng)
陰極：還原反應(yīng)
應(yīng)用電解原理將不純的金屬提純的裝置。
①不純金屬接電源正極純的金屬接電源負(fù)極
②電解質(zhì)溶液須待提純金屬的離子
陽極：不純金屬；
陰極：純金屬
陽極：氧化反應(yīng)
陰極：還原反應(yīng)
視情況具體分析
濃度減小
濃度不變
①電解精煉過程中的“兩不等”:
a.電解質(zhì)溶液濃度在電解前后不相等;
b.陰極增加的質(zhì)量和陽極減少的質(zhì)量不相等。
②電鍍過程中的“一多，一少，一不變”︰
a.“一多”指陰極上有鍍層金屬沉積;
b.“一少”指陽極上有鍍層金屬溶解;
c.“一不變”指電鍍液(電解質(zhì)溶液)的濃度不變。
【幾點(diǎn)強(qiáng)調(diào)】
4、電冶金
(1)金屬冶煉的本質(zhì)：使礦石中的金屬離子獲得電子變成金屬單質(zhì)的過程。如Mn＋＋ne－=M
(2)電解法適用范圍：用于冶煉較活潑的金屬(如鉀、鈉、鎂、鋁等)，但不能電解其鹽溶液，應(yīng)電解其熔融態(tài)(無水環(huán)境)
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
電解法
熱還原法
加熱法
物理提取法
①電解熔融的氯化鈉制取金屬鈉
電極 反應(yīng) 陽極 2Cl－－2e－=Cl2↑
陰極 2Na＋＋2e－=2Na 總反應(yīng) 2NaCl(熔融) = 2Na＋Cl2↑ 電解
熔融NaCl
陰極
陽極
e-
e-
Na+
Cl-
總反應(yīng)：2NaCl = 2Na+Cl2↑
電解
陰極環(huán)繞在陽極外面，兩極之間用隔膜D隔開。
②電解熔融的氯化鎂制金屬鎂
電極反應(yīng) 陽極 2Cl－－2e－=Cl2↑
陰極 Mg2＋＋2e－=Mg
總反應(yīng)
MgCl2(熔融) = Mg＋Cl2↑
電解
③電解熔融的氯化鎂制金屬鎂
電極反應(yīng) 陽極
陰極
總反應(yīng)
微點(diǎn)撥 4Al3+ + 12e- = 4Al
6O2- - 12e- = 3O2↑
2Al2O3(熔融) = 4Al + 3O2↑
電解
冰晶石
冰晶石(Na3AlF6)作助熔劑，降低氧化鋁的熔點(diǎn)
【注意】
①電解熔融MgCl2冶煉鎂，而不能電解熔融MgO冶煉鎂，因MgO的熔點(diǎn)很高，消耗電能大，成本高
②電解熔融Al2O3冶煉鋁，而不能電解AlCl3冶煉鋁，因AlCl3是共價(jià)化合物，其熔融態(tài)不導(dǎo)電
【練一練】
7、(雙選)下列可被工業(yè)上采用的冶金方法是（ ）
A.電解氯化鈉溶液制鈉
B.電解熔融的氯化鎂制鎂
C.電解熔融的氯化鋁制鋁
D.高溫下用一氧化碳還原氧化鐵制鐵
BD
二、電解的有關(guān)計(jì)算
1、計(jì)算類型
電解的相關(guān)計(jì)算包括兩極產(chǎn)物的定量計(jì)算(如質(zhì)量、氣體的體積、某元素的化合價(jià)、溶液的pH及物質(zhì)的量濃度等)
2、電解計(jì)算的依據(jù)
(1)陽極失去的電子總數(shù)＝陰極得到的電子總數(shù)
(2)串聯(lián)電路中通過各電解池的電子總數(shù)相等
(3)電源輸出的電子總數(shù)和電解池中轉(zhuǎn)移的電子總數(shù)相等
3、電解計(jì)算的方法
(1)根據(jù)電子守恒法計(jì)算：用于串聯(lián)電路、陰陽兩極產(chǎn)物、正負(fù)兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計(jì)算，其依據(jù)是電路上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等
(2)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算：先寫出電極反應(yīng)式，再寫出總反應(yīng)式，最后根據(jù)總反應(yīng)式列比例式計(jì)算
(3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算：根據(jù)得失電子守恒的關(guān)系建立已知量與未知量之間的橋梁，建立計(jì)算所需的關(guān)系式
以通過4 mol e－為橋梁可構(gòu)建如下關(guān)系式：(式中M為金屬，n為其離子的化合價(jià)數(shù)值)
【注意】
在電化學(xué)計(jì)算中，還常利用Q＝I·t 和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19 C來計(jì)算電路中通過的電量

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