选修4-电化学基础-电解池.ppt

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1、第四章 电化学基础,第三节 电解池,人教版选修4 化学反应原理,复习回顾,原电池：将化学能转变为电能的装置。,想一想：构成原电池的条件是什么?,两个活性不同的电极,电解质溶液(一般与活泼性强的电极能发生氧化还原反应),形成闭合回路,(4)自发进行的氧化还原反应,复习回顾,原电池：将化学能转变为电能的装置。,问一问：原电池的电极如何判断?,联想*质疑,CuCl2溶液,负极：,正极：,电池总反应：,CuCl2溶液,如果把两根石墨棒作电极插入CuCl2 溶液中，外接直流电源，这还是原电池装置吗？,复习回顾,写一写：原电池的电极反应式?,Zn 2e-=Zn2+,Cu2+2e-=Cu,Zn+Cu2+=Z

2、n2+Cu,CuCl2溶液在电流的作用下发生了化学变化，分解生成了Cu和Cl2,一、电解原理（以电解氯化铜为例）,实验4-2：用惰性(石墨)电极电解氯化铜溶液,阴极,阳极,氯气,铜,CuCl2溶液,有气泡，气体有刺激性气味，并能使 湿润的KI-淀 粉试纸变蓝,碳棒上有一层红色的物质析出,现象：,阴极：,阳极：,铜,Cl2,结论：,电解氯化铜溶液微观模拟,实验分析：,第三节 电解池,一、电解原理,1、电解：,使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。,2、电解池（电解槽）：,把电能转化为化学能的装置,注意：电流必须是直流而不是交流。熔融态的电解质也能被电解。,【思考1】电解池的两

3、极是怎样确定的？,、两个电极及电极反应,阴极：与电源负极相连电子流进还原反应阳极：与电源正极相连电子流出氧化反应,、两个电极的确定及电极反应,阴极,阳极,、两个电极的类型：,惰性电极(铂、金、石墨)：仅仅导电，不参与反应活性电极(除铂、金外的金属)：既可以导电、又可以参与电极反应,惰性电极与活性电极,【思考2】形成电解池的条件是什么？,阴极,阳极,阴极,阳极,4、形成电解池的条件,与电源相连的两个电极,电解质溶液或熔化的 电解质,形成闭合回路,阴极,阳极,【思考3】在电解过程中，电子、离子是如何形成闭合回路的？,电子的流向:电子从外加电源的负极流出，流到电解池的阴极，再从阳极流回电源正极。（注

4、意：电子只在外电路定向移动，不能从溶液中移动）,离子定向移动的方向:阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动。,【思考4】电解质溶液导电的实质是什么？,阴极,阳极,5、电解质溶液导电的实质,对电解质溶液（或熔融态电解质）通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，电解质的阳离子移向阴极得电子发生还原反应；电解质的阴离子移向阳极失去电子（有的是组成阳极的金属原子失去电子）发生氧化反应，电子从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极。这样，电流就依靠电解质溶液（或熔融态电解质）里阴、阳离子的定向移动而通过溶液（或熔融态电解质），所以电解质溶液（或熔融态电解质）的导电过程，就是电解质溶液（或熔融态电解

5、质）的电解过程。,【思考5】如何书写电极反应方程式和总方程式？,通式：阴极：氧化剂ne-=还原产物阳极：还原剂ne-=氧化产物总电解反应式：阴阳极反应式相加所得的式子（考虑电子守恒）,、电极反应式的书写：（以电解CuCl2 为例）,阴极,阳极,阳离子移向阴极放电，阴离子移向阳极放电阴极：Cu2+2e-Cu 还原反应阳极：2Cl-2e-Cl2 氧化反应总反应式：,加CuCl2溶液,变小,【思考6】电解后氯化铜的浓度如何变化？,【思考7】若要使电解质溶液复原，怎么办？,【思考8】什么叫放电？,阴离子失去电子而阳离子得到电子的过程叫放电。,【思考9】为什么Cu2+、Cl-放电，而不是 H+和OH-？

6、,阴离子放电：与阴离子的还原性的相对强弱有关阳离子放电：与阳离子的氧化性的相对强弱有关,【思考10】阴阳离子的放电顺序是什么？,、离子放电顺序：,Ag+Fe3+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+(H+)Al3+Mg2+Na+Ca2+K+注：当离子浓度相差较大时，放电顺序可能发生变化。,无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应，发生反应的是溶液中的阳离子。阳离子在阴极上放电顺序是：,阴极:,活性材料作电极时：金属在阳极失电子被氧化成阳离子进人溶液，阴离子不容易在电极上放电。用惰性电极(Pt、Au、石墨、钛等)时：溶液中阴离子的放电顺序是：,S 2-SO32-I-Br-Cl-OH-NO

7、3-SO42-(等含氧酸根离子）F-,阳极：,【思考11】电解氯化铜溶液时，溶液中Cu2和Cl放电基本完毕后，电解过程是否也就停止了呢？,溶液中Cu2+和Cl放电完毕后，原溶液变为纯水，此时，在纯水中存在H+和OH，H+在阴极放电，OH在阳极放电，实际上是电解水的过程，所以：阴极：4H+4e=2H2 阳极：4OH 4e=2H2O+O2 总反应：2H2O=2H2+O2,【思考12】在电解氯化铜溶液的装置中，若把电解质换成氯化钠，其结果又如何呢？写出电极反应。,电解,（1）溶液中所含阳离子：H+、Na+，放电顺序：H+Na+阴 极：2H+2e=H2,（2）溶液中所含阴离子：OH、Cl，放电顺序：C

8、l OH 阳 极：2Cl 2e=Cl2,总反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+Cl2,【思考13】氯化钠溶液换成熔融的氯化钠，其结果又如何呢？写出电极反应。,电解,熔融的氯化钠中有Na+和Cl，Na+在阴极放电生成金属钠，Cl在阳极放电生成氯气。,阴极：2Na+2e-=2Na（氧化反应）阳极：2Cl-2e-=Cl2（还原反应）总式：,阴极,阳极,氯气,钠,熔融NaCl,【思考14】分析电解反应（用惰性电极时）的一般思路是什么？,小结1：分析电解反应(用惰性电极时)的一般思路：,明确溶液中存在哪些离子,根据阳极氧化、阴极还原以及氧化性、还原性强弱判断反应的离子先后，最后分析得出产物,阴

9、阳两极附近有哪些离子,【思考15】电解与电离有哪些异同呢？,阴阳离子定向移动，在两极上失得电子成为原子或分子。如：CuCl2=Cu+Cl2,通电,电解质溶于水或受热融化状态,电解质电离后，再通直流电,电解质电离成为自由移动的离子例：CuCl2=Cu2+2Cl-,只产生自由移动的离子,发生氧化还原反应生成了新物质,电解必须建立在电离的基础上,【思考16】电解池与原电池有哪些异同呢？,小结2：电解与电离比较：,【思考17】电解池有什么规律？,电能转化为化学能,阳极（接电源正极）,阴极（接电源负极）,阴离子向阳极迁移阳离子向阴极迁移,化学能转化为电能,负极,正极,阴离子向负极迁移阳离子向正极迁移,都

10、是氧化还原反应,小结3：原电池与电解池的比较:,不自发,自发,小结4：电解规律,阴极,阳极,氯气,铜,阳极：2Cl-2 e-=Cl2,阴极：Cu2+2e-=Cu,减小,增大,CuCl2,CuCl2溶液,阳极,阴极,氧气,氢气,阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,阴极:4H+4e-=2H2,变大,不变,加H2O,Na2SO4溶液,2H2O 2H2+O2,阳极,阴极,氯气,氢气,阳极:2Cl-2e-=Cl 2,阴极:2H+2e-=H2,2NaCl+2H2O 2NaOH+H2+Cl2,减小,增大,加HCl,NaCl溶液,阳极,阴极,氧气,铜,阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,阴极：Cu2+2e

11、-=Cu,减小,减小,加CuO,CuSO4溶液,电解规律（惰性电极）小结,阳极：S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根 F-,与区：电解本身型 如CuCl2、HCl与区：放氢生碱型 如NaCl与区：放氧生酸型 如CuSO4、AgNO3与区：电解水型 如Na2SO4、H2SO4、NaOH,阴极：Ag+Fe3+Cu2+H+Fe2+Zn2+（H+）Al3+Mg2+Na+,电解质溶液用惰性电极电解的示例：,含氧酸,H2SO4,强碱,NaOH,活泼金属的含氧酸盐,Na2SO4,无氧酸,HCl,阴极:4H+4e-=2H2阳极:4OH-4e-=O2+2H2O,减小,增大,不变,H2O,阳极:2Cl-2e-=C

12、l2阴极:2H+2e-=H2,增大,HCl,不活泼金属的无氧酸盐,CuCl2,阳极:2Cl-2e-=Cl2阴极:Cu2+2e-=Cu,增大,CuCl2,活泼金属的无氧酸盐,NaCl,阳极:2Cl-2e-=Cl2阴极:2H+2e-=H2,增大,HCl,不活泼金属的含氧酸盐,CuSO4,阳极:4OH-4e-=O2+2H2O阴极:2Cu2+4e-=2Cu,减小,CuO,放氢生碱,放氧生酸,巩固练习,1、电极反应方程式及电解总反应方程式的书写(惰性电极，溶液)：H2SO4HClNaOH K2SO4CuCl2CuSO4 NaClKMnO42、用石墨作电极电解CuCl2、NaCl的混合溶液时，阴极析出的物

13、质是_；阳极产物是_。3、两极都用银片作电极电解AgNO3溶液时，阳极的产物是_；阴极的产物是_。,练习,4、试写出下列装置中所发生的电极反应方程式。,石墨 石墨 粗铜 纯铜 纯铜 铁,CuSO4溶液,CuSO4溶液,CuSO4溶液,(A)(B)(C),练习,5、如图所示装置，指出A、B池的名称、电极名称、电极反应式、二池pH值的变化情况。,6.写出下列装置的电极反应式，并判断A、B、C溶液PH值的变化。,7.如上图所示，通电后A极上析出Ag，对该装置的有关叙述正确的是A.P是电源的正极B.F极上发生的反应为：4OH-4e-=2H2O+O2C.电解时，甲、乙、丙三池中，除E、F两极外，其余电极

14、均参加了反应D.通电后，甲池的PH减小，而乙、丙两池溶液的PH不变,B,8.用铂电极电解下表中各组物质的水溶液，电解一段时间以后，甲、乙两池中溶液的pH值均减小，而在和两极，电极产物的物质的量之比为12的是 甲 乙 A B C D甲 KOH H2SO4 Na2SO4 CuSO4乙 CuSO4 AgNO3 HCl HNO3,D,9.为下图所示装置中，a、b都是惰性电极，通电一段时间后，b极附近溶液呈红色。下列说法正确的是AX是正极，Y是负极BX是负极，Y是正极CCuSO4溶液的PH值逐渐减小DCuSO4溶液的PH值不变,AC,二、电解原理的应用,1、氯碱工业（电解饱和食盐水以制造烧碱、氯气和氢气

15、的工业）,阳极：,2Cl-2e-=Cl2,阴极：,2H+2e-=H2,总反应：,2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2+H2,食盐水中存在的离子：,Na+、Cl-、H+、OH-,离子放电顺序：阳离子 H+Na+阴离子 Cl-OH-,电极反应：,H+,Na+,Cl-,OH-,阴极,阳极,氧化反应 还原反应,若电解前向溶液中滴加酚酞，通电后现象为：_，两极极板上都有气体产生，如何检验气体的种类？,阴极附近的溶液无色变为红色,阳极:产生刺激气体使湿润KI淀粉试纸变蓝色.,阴极:产生无色、无味气体,(2)避免生成物H2和Cl2混合,因为:.,(1)避免Cl2接触NaOH溶液会反应,使产品不纯,反应方

16、程式:.,第一个问题:,Cl2+2 NaOH=NaCl+NaClO+H2O,混合遇火或遇强光爆炸,解决方法:使用离子交换膜,电解饱和食盐水必须解决两个主要问题,（1）生产设备名称：离子交换膜电解槽阴极：碳钢 阳极：钛阳离子交换膜：只允许阳离子通过(Cl、OH离子和气体不能通过)，把电解槽隔成阴极室和阳极室。（2）离子交换膜的作用：a、防止氢气和氯气混合；b、避免氯气和氢氧化钠反应生成，而影响氢氧化钠的产量。,氯碱工业:离子交换膜法制烧碱,Cl2,Cl2,Cl,H2,H+,OH,淡盐水,NaOH溶液,精制饱和NaCl溶液,H2O（含少量NaOH）,离子交换膜,阳极室,阴极室,提示：,第二个问题：

17、精制食盐水,电解饱和食盐水必须解决两个主要问题,泥沙、Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+、Fe3+、SO42-,Na+、Cl-、.Mg2+、Ca2+、Fe3+、SO42-,Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+、Fe3+、引入Ba2+,Na+、Cl-、Ca2+、Ba2+、引入OH-,Na+、Cl-、CO32-、OH-,Na+、Cl-,沉降,除泥沙,略过量BaCl2 溶液,除SO42-,略过量Na2CO3 溶液,除Ca2+.Ba2+,略过量NaOH 溶液,除Fe3+,Mg2+,适量HCl溶液,调节PH 除CO32-、OH-,电解饱和食盐水,以氯碱工业为基础的化工生产,二、电解原理的应用,2、电镀（在

18、某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法）,阳极：镀层金属阴极：待镀金属制品电镀液：含有镀层金属的电解质实质：阳极参加反应的电解,阳极：镀层金属（纯铜板）阴极：待镀金属制品电镀液：含有镀层金 属的电解质（硫酸铜溶液）,电镀铜,3、粗铜的电解精炼,三、电解原理的应用,阳极：,Zn-2e-=Zn2+Fe-2e-=Fe2+Ni-2e-=Ni2+Cu-2e-=Cu2+,Zn Fe Ni CuAg Au,阴极:Cu2+2e-=Cu,阳极泥,阳极泥:相对不活泼的金属以单质的形式沉积在电解槽底,形成阳极泥,电解精炼铜,电解精炼铜原理：,粗铜的溶解与纯铜的生成：,阳极（粗铜）：Cu 2e-=Cu2+阴极（纯

19、铜）：Cu2+2e-=Cu,比铜活泼的金属：Zn、Fe、Ni只溶解，不析出；,比铜不活泼的金属：Au、Pt不溶解，而以单质沉积形成阳极泥；,电解质溶液中CuSO4的浓度基本不变（略小）。,制取金属钠,电解熔融状态的氯化钠。,阳极：,2Cl-2e-=Cl2,阴极：,2Na+2e-=2Na,总反应：,2NaCl(熔融)2Na+Cl2,二、电解原理的应用,4、电冶金,由于电解是最强有力的氧化还原手段，所以电解法是冶炼金属的一种重要的方法。对于冶炼像Na、Ca、Mg、Al这样活泼的金属，电解法几乎是唯一可行的工业方法。,电解熔融氯化钠制钠,4、电冶金（使用电解法冶炼像钠、镁、铝等活泼金属的方法）,制取

20、金属铝,电解熔融状态的氧化铝。,阳极：,6O 2-12e-=3O2,阴极：,4Al 3+12e-=4Al,总反应：,助熔剂：冰晶石（Na3AlF6 六氟合铝酸钠）阳极材料(碳)和熔融氧化铝需要定期补充,思考:工业上为什么用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝而不用AlCl3?,AlCl3为分子晶体，在融融状态下不电离，不导电，不能被电解。,冶炼铝设备图,烟罩,拓展：金属的防护,金属腐蚀的快慢程度：电解池的阳极原电池的负极化学腐蚀原电池的正极电解池的阴极,海水,C,Fe,下列装置暴露空气中一段时间,铁的腐蚀由快到慢 顺序.,Fe,Fe,C,Fe,Zn,A(海水),B(海水),C(海水),D(海水),F(天

21、然水),E(海水),拓展练习,电解池、电解精炼池、电镀池的比较,将电能转变成化学能的装置。,应用电解原理在某些金属表面镀上一层其它金属的装置。,两电极接直流电源电极插人电解质溶液形成闭合回路,镀层金属接电源正极待镀金属接电源负极电镀液须含有镀层金属的离子,阳极：电源正极相连阴极：电源负极相连,阳极：镀层金属；阴极：镀件,阳极：氧化反应阴极：还原反应,阳极：氧化反应阴极：还原反应,应用电解原理将不纯的金属提纯的装置。,不纯金属接电源正极纯的金属接电源负极电解质溶液须待提纯金属的离子,阳极：不纯金属；阴极：纯金属,阳极：氧化反应阴极：还原反应,例1：铂电极电解1LCu(NO3)2和KNO3混合溶液

22、,通电一段时间,两极均产生11.2L(标况)气体.求电解后溶液的pH,并确定析出铜的物质的量.,解析：阳极 4OH-4e-=2H2O+O2 阴极 Cu2+2e-=Cu 2H+2e-=H2 阳极转移电子的物质的量为:0.54=2mol,消耗OH-2mol,即产生H+2mol.阴极生成0.5molH2,消耗H+1mol;所以溶液中C(H+)=1mol/L pH=0 生成H2转移的电子:0.5 2=1mol,故还有1mole-用于还原Cu2+,可析出铜为0.5mol.,四、电解计算电子守恒法,O22Cu4Ag4H2H22Cl24OH,计算关系式：,例2：用石墨电极电解100mL H2SO4与CuSO

23、4的混合液，通电一段时间后，两极均收集到2.24L（标况）气体，则原混合液中Cu2+的物质的量浓度为（）A.1mol/L B.2mol/L C.3mol/L D.4mol/L,A,阳极O2为0.1mol，电子为0.4mol,则H2为0.1mol，所以Cu为0.1mol，浓度为A,例3：某硝酸盐晶体化学式为M(NO3)xnH2O，相对分子质量为242，将1.21g该晶体溶于水配成100mL溶液，用惰性电极进行电解。当有0.01 mol 电子转移时，溶液中金属离子全部析出，此时阴极增重0.32g。求：金属M的相对原子质量及 x、n 值；电解溶液的pH（溶液体积仍为100mL）。,Mx+xe-=M0.005mol 0.01mol 0.32g,所以：x=2；M=64；n=3,产生H+为0.01mol，pH=1,练习：用两支惰性电极插入50mLAgNO3溶液中，通电电解。当电解液的PH值从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出，且电解液在电解前后体积变化可以忽略)，电极上析出银的质量大约是：A、27mg B、54mg C、108mg D、216mg,B,