資源簡介

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選 擇 性 必 修 一
學
化
J
S
第二單元 化學能與電能的轉化
3 電解池的工作原理及應用
工業上分別以NaCl和Al2O3為原料，生產金屬鈉和金屬鋁。你知道工業生產中是如何實現此過程的嗎？上述過程中發生了什么形式的能量轉化？
溫故知新
電解熔融氯化鈉
2NaCl 2Na+Cl2↑
電解熔融氧化鋁
2Al2O3 4Al+3O2↑
能量轉化方式: 電能→化學能
利用原電池能實現化學能向電能的轉化。而在工業生產和日常生活中，人們常常需要通過電解的方法使許多不能自發進行的反應順利進行，電解過程中電能轉化為化學能。
圖1-19是電解熔融態氯化鈉的原理圖。
請與同學交流討論下列問題：
交流討論
1. 通電前（圖1-20左圖）和通電后（圖1-20右圖），熔融態氯化鈉中Na＋和Cl－ 的運動有何差異？請在圖1-20右側中用箭頭示意Na＋和Cl－的運動情況。
通電前，熔融氯化鈉發生電離，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生了什么化學反應？請寫出兩電極上發生反應的電極反應式。
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－分別向與電源負極和電源正極相連的電極定向遷移。與電源負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－將電子轉移給該電極，有電子流出，Cl－被氧化為氯原子，兩個氯原子結合成氯分子。
其電極反應式和電解總反應式可表示為：
-
+
陰極：2Na＋＋2e－===2Na
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑
總反應：2NaCl 2Na+Cl2↑
電子：電源負極→陰極
電子：陽極→電源正極
還原反應
氧化反應
在直流電的作用下，在兩電極上分別發生氧化反應和還原反應的過程叫電解。
電解過程中電能轉化為化學能。因此，人們把將電能轉化為化學能的裝置稱為電解池。
在電解池中，與電源負極相連的電極是陰極，在陰極上發生還原反應；與電源正極相連的電極是陽極，在陽極上發生氧化反應。
電解質溶液
陰極
陽極
還原反應
氧化反應
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形管內的現象和
試紙顏色的變化。
觀察思考
1. 在氯化銅溶液中存在 Cu 2＋、H＋、Cl－ 和OH－，請根據實驗事實指出，在直流電的作用下，哪些離子優先在電極上發生反應。
2. 寫出電極反應式和電解總反應式。
水是一種極弱的電解質，能電離出少量的H＋和OH－
實驗現象
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生，
能使濕潤的淀粉 KI試紙______。
變淺
紅色物質
變藍
實驗結論
電解CuCl2溶液，生成了銅和氯氣
電解氯化銅溶液時，理論上Cu 2＋ 、H＋ 都可能在陰極上被還原。由于Cu 2＋ 優先于H＋ 在電極上發生反應，因此，在陰極Cu 2＋ 得到電子，發生還原反應生成銅：Cu 2＋＋2e－ === Cu
同理，OH－、Cl－均可能在陽極被氧化，由于Cl－優先于OH－在電極上發生反應，因此，在陽極Cl－失去電子，發生氧化反應生成氯氣：2Cl－－2e－===Cl2↑
電解反應為:CuCl2 === Cu+ Cl2↑
通電
電解原理在生產中有著廣泛的應用。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，發生如下反應：
交流討論
2NaCl +2H2O 2NaOH+ H2↑+Cl2↑
請與同學交流討論下列問題：
1. 在氯化鈉溶液中存在 Na＋、H＋、Cl－ 和OH－ ，請根據實驗事實指出哪些離子優先在電極上發生反應。
2. 寫出陰極和陽極的電極反應式。
3. 如圖1-23所示，電解池的陰極區和陽極區用陽離子交換膜隔開，使得陰極區的OH－ 不能進入陽極區。
電解飽和食鹽水時為什么要阻止陰極
區的OH－ 進入陽極區？
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：2 H＋＋2e－===H2
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑
陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑
2 H2O ＋2e－===H2 +2OH-
當用惰性電極電解電解質溶液時，陰、陽極放電有什么規律？
思考：工業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,使產品不純。
反應方程式: .
Cl2 +2 NaOH =NaCl + NaClO + H2O
(2)避免生成物H2和Cl2混合，混合后遇火或遇強光爆炸.
解決方法:使用離子交換膜
NaCl溶液
2Cl－－2e－===Cl2↑
2 H2O ＋2e－===H2 +2OH-
如果得到產物NaOH,陰極側生成OH-，還需要Na+移向陰極，而我們要避免OH-移向陽極與產物Cl2反應，所以應選擇陽離子交換膜。
－
+
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
陽離子交換膜電解槽
電解池放電規律
陽極：還原性強的離子優先放電。
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：氧化性強的離子優先放電。
陰極始終是溶液中的陽離子得電子，與電極材料無關
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，結合放電順序分析誰優先放電。
（4）正確書寫電極反應式，要注意原子數、電荷數是否守恒。
（5）能結合題目要求分析電解時的各種變化情況，如兩極現象、離子濃度的變化、pH變化等。
電解——人類創造新物質的重要手段
學科提煉
電的發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量，還實現了從電能到化學能的轉變，“顛覆”了對化學變化的傳統認識，一些在通常條件下不能進行的化學反應在通電條件下成為了現實。電解幫助人類創造出更多自然界不存在的新物質，成為化學重要分支——電化學或能源化學的基礎，因此也形成了電解工業。
從本質上看，電解就是借助電流分解反應物，將電子提供給溶液或熔融態中的某些微粒，使其獲得電子生成新的物質。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，成為生產、生活中常用的金屬材料。電解除廣泛應用于金屬礦物冶煉、金屬精煉外，還促進了電鍍、污水處理等領域的技術革命，為新的制造業的發展提供了理論基礎。
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
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、銀等雜質的粗銅塊，作為電解池的陽極，它在電解時發生氧化反應，金屬銅和比銅活潑的金屬雜質（如鋅等）轉化為陽離子進入溶液，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
基礎實驗
1. 實驗準備
儀器：托盤天平、燒杯、試管、玻璃棒、鑷子、藥匙、導線、細砂紙、直流電源（6~9 V）。
藥品和試劑：鐵釘、鋅片、2 mol·L－1 NaOH溶液、濃鹽酸、ZnCl2、KCl、硼酸、濃硝酸、蒸餾水。
2. 實驗操作
（1）電鍍液配制：先向燒杯中加入50 mL蒸餾水，加入3.5 g ZnCl2，再加入12.5 g KCl、1.5 g硼酸，攪拌使固體溶解，調節溶液的pH為5~6。
（2）鍍件的處理：用細砂紙打磨鐵釘，用水洗凈；把鐵釘放入80°C 2 mol·L－1 NaOH溶液中浸泡5 min，除去油污，洗凈；再將鐵釘放入45°C的濃鹽酸中浸泡2 min，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3~5 s，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6 V的直流電源，電鍍20~25 min，觀察并記錄現象。
3. 記錄與結論
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）。
電鍍池結構
+
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電解質溶液-含有鍍層金屬離子的溶液
電鍍的特點
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，待鍍金屬接電源負極
②電鍍液須含有鍍層金屬的離子
陽極：鍍層金屬；
陰極：鍍件
應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極
②電解質溶液須待提純金屬的離子
陽極：不純金屬；
陰極：純金屬
塑料電鍍
拓展視野
同學們在選購衣服時可能會注意到，一些衣服上金閃閃或銀燦燦的紐扣讓服裝的色彩更加協調，給人一種賞心悅目的美感。但也許你會發現，這些看上去像金屬材質的紐扣很輕，并沒有印象中的金屬質感。其實這漂亮的“金屬”紐扣不是金屬的，而是塑料的，它們表面金色或銀色的華貴外衣，是采用化學方法電鍍上去的。
事實上，把金屬外衣鍍到塑料制品上并不是一件容易的事。因為塑料是絕緣體，無法直接將金屬鍍到塑料制品的表面。但這難不倒化學工作者，他們經過多番實驗，終于發明了一種名為ABS的新型塑料。這種塑料一旦碰上鉻酸，表面就會受腐蝕，產生許多微孔，在電鍍工業上叫粗化。將這種材料粗化后，再采用化學方法，使用氯化亞錫、硝酸銀和硫酸銅等溶液，通過化學反應使已粗化的塑料表面附著一層能導電的金屬薄膜，這樣就可以用電鍍法將鎳、鉻等金屬外衣“披”在塑料制品上了。
由于塑料電鍍制品兼有塑料的質量輕、易成型和金屬鍍層的美觀等特點，因而塑料電鍍被廣泛用于汽車、摩托車、家用電器的零部件和水暖器材的生產。
AC
課堂訓練
D
看
觀
謝
謝

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