第四节 电解池.

Presentation on theme: "第四节 电解池."— Presentation transcript:

1 第四节 电解池

2 一、电解原理

3 电解氯化铜原理 e 正极 负极 电 源 直流电源 I 电极 （析出Cu） 阴极 阳极 （放出Cl2↑） 被还原 Cl– 被氧化 Cu2+
电解质 CuCl2 ＝ Cu2++2Cl– 电极反应 阴极: Cu2+ + 2e ＝ Cu （还原反应） 阳极: 2Cl－－2e ＝Cl2↑ （氧化反应） 电解 总反应: Cu2+ + 2Cl－ Cu +Cl2↑ （氧化还原反应） 电解 CuCl2 Cu +Cl2↑

4 1、电解原理 在外加直流电源的作用下，电解质的阴阳离子在阴阳两极发生氧化还原反应的过程，叫电解。 电流是发生氧化—还原反应的根源、动力。
⑴ 明 确 电流是发生氧化—还原反应的根源、动力。 ⑵ 阴阳离子在做定向运动导电的同时，也就在两极发生了氧化还原反应，生成了新物质；而金属导电是由自由电子的定向运动形成，无反应发生，无新物质生成，两者有本质区别。

5 2、 电 解 池 惰性电极： 活泼电极： 定义： 把电能转化为化学能的装置。 组成： 两个电极、 电解质溶液、 直流电源 阳极：
与外电源正极相连的电极，出电子，氧化反应。 电极 阴极： 与外电源负极相连的电极，进电子，还原反应。 惰性电极： C、Pt、Au等，不论做阴极、阳极， 本身都不反应。 电极材料 活泼电极： Fe、Cu、Ag等,做阴极本身不反应, 做阳极，本身被氧化溶解。

6 3、构成电解池的条件： ①直流电源； 与电源负极相连的电极为阴极 ②电极 与电源正极相连的电极为阳极 ③电解质溶液或熔融电解质；
④ 形成闭合的回路

7 判断下列属于何种电池？ A B

8 4.电解池电极反应规律（阳氧阴还） (1)阴极：得电子，还原反应 ①电极本身不参加反应 ②一定是电解质溶液中阳离子“争”得电子
(2)阳极：失电子，氧化反应 ①若为金属（非惰性）电极，电极失电子 ②若为惰性电极，电解质溶液中阴离子“争”失电子

9 分析电解反应的一般思路： 明确溶液中存在哪些离子 阴阳两极附近有哪些离子 根据阳极氧化，阴极还原分析得出产物

10 重点 要判断电极反应的产物，必须掌握离子的放电顺序。 阳极：
①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。 ②用惰性电极(Pt、Au、石墨、钛等)时：溶液中阴离子的放电顺序（由难到易）是： S 2->SO32->I ->Br ->Cl ->OH ->NO3 ->SO42-(等含氧酸根离子）>F-

11 阴极: 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：
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>(H+)> Al3+>Mg2+>Na+>Ca+>K+ 注：当离子浓度相差较大时，放电顺序要发生变化，相同时按H+,不同时按（H+）

12 想一想： 若以铜为阳极,铁为阴极,电解 氯化铜溶液，情况又如何？
想一想： 若以铜为阳极,铁为阴极,电解 氯化铜溶液，情况又如何？

13 练习：完成下列溶液的电极反应。 (以石墨为电极电解)
电极反应式、电解方程式的书写： 练习：完成下列溶液的电极反应。 (以石墨为电极电解) 硫酸溶液： 盐酸： NaOH溶液: CuBr2溶液： KCl溶液： CuSO4溶液： Na2SO4溶液：

14 阳极：4OH- - 4e- = 2H2O + O2↑ 阴极：4H+ + 4e- = 2H2↑ 总反应： 2H2O H2↑ + O2↑

15 阴极： 2H+ + 2e- == H2 ↑ 2Cl - - 2e- == Cl2↑ 阳极： 2HCl H2 ↑+ Cl2↑ 总反应：

16 阳极：Cu – 2e- = Cu 2+ 阴极：Cu e- = Cu

17 阴极：2Cu e- = 2Cu 阳极：4OH- - 4e- = 2H2O + O2↑ 总反应： 2CuSO4 + 2H2O 2Cu + 2H2SO4 + O2↑

18 阳极：S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > 含氧酸根 > F-
电解规律（惰性电极）小结 Ⅰ Ⅱ 阳极：S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > 含氧酸根 > F- 阴极：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>（H+）>Al3+>Mg2+>Na+ Ⅲ Ⅳ Ⅰ与Ⅲ区：电解本身型 如CuCl2 、HCl Ⅰ与Ⅳ区：放氢生碱型 如NaCl Ⅱ与Ⅲ区：放氧生酸型 如CuSO4、AgNO3 Ⅱ与Ⅳ区：电解水型 如Na2SO4、H2SO4 、NaOH

19 电解质溶液用惰性电极电解的示例： 电解 类型 举 例 电极反应 溶液PH 变化 溶液复原方法 物质类别 实例 仅溶剂 水电解 仅溶质 溶质和
溶剂同 时电解 含氧酸 H2SO4 减小 阳极：4OH-→4e-=O2+2H2O 阴极：4H+ + 4e- = 2H2↑ 强碱 NaOH 增大 H2O 活泼金属的含氧酸盐 Na2SO4 不变 阳极：2Cl- → 2e-=Cl2↑ 阴极：2H++2e- = H2↑ 无氧酸 HCl 增大 HCl 不活泼金属的无氧酸盐 阳极：2Cl- → 2e- =Cl2↑ 阴极：Cu2++2e- = Cu CuCl2 CuCl2 减少 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 阳极：4OH- → 4e- =O2↑+2H2O 阴极：2Cu2++4e- = 2Cu CuO CuSO4 减小

20 巩固练习 1.判断A、B、C、D属于原电池的是——，属于电解池的是——；并写出下列装置的电极反应式。 （ A ） （B） （C） （D）
Hg(NO3)2 AgNO3 NaHSO4 Ag Cu C Pt Fe

21 B 2.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+O2↑ C.电解时，甲、乙、丙三池中，除E、F两极外，其余电极均参加了反应 D.通电后，甲池的PH减小，而乙、丙两池溶液的PH不变 B

22 3.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①和④两极，电极产物的物质的量之比为1︰2的是
甲 乙 A B C D 甲 KOH H2SO4 Na2SO4 CuSO4 乙 CuSO4 AgNO HCl HNO3 乙 甲 D

23 4.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
A．X是正极，Y是负极 B．X是负极，Y是正极 C．CuSO4溶液的pH值逐渐减小 D．CuSO4溶液的pH值不变 AC a •X Y • b Pt Cu CuSO4溶液 NaCl和酚酞溶液

24 铜锌原电池 电解氯化铜 发生氧化还原反应，从而形成电流 电流通过引起氧化还原反应 电源、电极（惰性或非惰性）、电解质（水溶液或熔融态）
装置 原电池 电解池 实例 原理 形成条 电极名称 电子流向 电流方向 电极反应 能量转化 应用 铜锌原电池 电解氯化铜 发生氧化还原反应，从而形成电流 电流通过引起氧化还原反应 两个电极、电解质溶液或熔融态电解质、形成闭合回路、自发发生氧化还原反应 电源、电极（惰性或非惰性）、电解质（水溶液或熔融态） 由电极本身决定 正极：流入电子 负极：流出电子 由外电源决定 阳极：连电源正极 阴极：连电源负极 电源负极→阴极→阳极→电源正极 （外电路）负极 → 正极 电源正极→阳极→阴极→电源负极 （外电路）正极→负极 负极：Zn - 2e- =Zn2+（氧化反应） 正极：2H+ + 2e- =H2↑（还原原应） 阳极：2 CI- - 2e- = CI2 ↑(氧化反应) 阴极: Cu e- = Cu (还原反应) 化学能→ 电能 电能→化学能 设计电池、金属防腐 氯碱工业、电镀、电冶、金属精炼

25 二、电解原理的应用 1.电解食盐水 思考: 阳极：湿润的淀粉－KI试纸 阴极：酚酞试液
（1）通电前，饱和食盐水中存在哪些离子?这些离子的运动情况怎样？ （2）在电解装置中可否选用铜作阴、阳极的电极材料，为什么？（3）通电后，溶液中的离子运动发生了什么变化？ （4）通电后，溶液中的在阴、阳放电的是什么离子？ （5）电解后，在阴极区和阳极区分别得到的产物是什么？怎样初步检验两极产物的生成? 阳极：湿润的淀粉－KI试纸 阴极：酚酞试液

26 实验装置 现象： 阳极：有气泡产生，使湿润的淀粉－KI试纸变蓝 阴极：有气泡产生，滴加酚酞溶液变红 阳极：2Cl--2e- =Cl2↑
阴极：2H++2e- =H2↑ 总式：2NaCl+2H2O=＝＝2NaOH+H2↑+Cl2↑ 通电 电解饱和食盐水可以制造烧碱、氯气和氢气。

27 氯碱工业:离子交换膜法制烧碱210 （1）生产设备名称：离子交换膜电解槽 阴极：碳钢 阳极：钛
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而引起爆炸； b、避免氯气和氢氧化钠反应生成 ，而影响氢氧化钠的产量。

28 阴极室 阳极室 离子交换膜 Cl2 H2 － + 淡盐水 NaOH溶液 Cl2 H+ Na+ Cl— OH— 精制饱和NaCl溶液
阳 极 金属钛网 阴 极 碳钢网 Na+ Cl— OH— 阴极室 阳极室 离子交换膜 精制饱和NaCl溶液 H2O（含少量NaOH）

29 精制食盐水 粗盐的成份： 泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42－杂质，会与碱性物质反应产生沉淀，损坏离子交换膜 杂质的除去过程：
粗盐水 含少量Ca2+.Mg2+ 精制盐水

30 2.铜的电解精炼 粗铜 含杂质(Zn Fe Ni Ag Au 等) 纯铜 粗铜 阳极： Zn→ Zn2+＋2e- Zn Fe Ni
　　一般火法冶炼得到的粗铜中含有多种杂质（如锌、铁、镍、银、金等），这种粗铜的导电性远不能满足电气工业的要求，如果用以制电线，就会大大降低电线的导电能力。因此必须利用电解的方法精炼粗铜。 粗铜 含杂质(Zn Fe Ni Ag Au 等) 纯铜 粗铜 阳极： Zn→ Zn2+＋2e- Fe → Fe2+＋2e- Ni → Ni2+＋2e- Cu→ Cu2+＋2e- Zn Fe Ni CuAg Au 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 CuSO4溶液 阳极泥 阴极: Cu2+ + 2e- → Cu 问：电解完后，CuSO4溶液的浓度有何变化？

31 3. 电镀 电镀：电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程， 铁片 铜片 硫酸铜溶液 ①电极：
电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程，它是电解原理的又一重要应用。电镀可以使金属更加美观耐用，增强防锈抗腐能力。例如，钢铁是人们最常用的金属，但钢铁有个致命的缺点，就是它们易被腐蚀。防止钢铁发生腐蚀的一种最常用方法就是在其表面镀上其他金属，如锌、铜、铬、镍等。 3. 电镀 电镀：电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程， 铁片 铜片 硫酸铜溶液 ①电极： 阳极——镀层金属 或惰性电极 阴极——待镀金属制品 ②电镀液：含有镀层金属离子的电解质溶液。 溶液中CuSO4的浓度保持不变或变小

32 4、电冶金 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
2NaCl(熔融) Na + Cl2 ↑ 总反应：

33 电解熔融氯化钠制钠

34 冶炼铝 原理: 阳极：6O2--12 e- =3O2↑ 阴极：4Al3+ + 12e- =4Al 总式：2Al2O3 4Al+3O2 ↑
通电 总式：2Al2O Al+3O2 ↑ 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?

35 冶炼铝设备图 阳极C 电解质 烟罩 熔融态铝 钢壳 耐火材料 阴极C 钢导电棒

36 小结 思考交流 1、电源、电极、电极反应关系 2、电解原理的应用：氯碱工业、电镀、电冶金 试比较电解饱和食盐水与电解熔融氯化钠的异同
(提示:比较电解质、电解装置、电极反应、电解产物） 小结 1、电源、电极、电极反应关系 与电源正极相连 发生氧化反应 阴离子移向 阳极 阳离子移向 阴极 发生还原反应 与电源负极相连 2、电解原理的应用：氯碱工业、电镀、电冶金

37 电解池、电解精炼池、电镀池的比较 定义 形成 条件 电极 名称 反应 应用电解原理将不纯的金属提纯的装置。
应用电解原理在某些金属表面镀上一层其它金属的装置。 将电能转变成化学能的装置。 ①不纯金属接电源正极纯的金属接电源负极 ②电解质溶液须待提纯金属的离子 ①镀层金属接电源正极待镀金属接电源负极 ②电镀液须含有镀层金属的离子 ①两电极接直流电源 ②电极插人电解质溶液 ③形成闭合回路 阳极：镀层金属； 阴极：镀件 阳极：电源正极相连 阴极：电源负极相连 阳极：不纯金属； 阴极：纯金属 阳极：氧化反应 阴极：还原反应 阳极：氧化反应 阴极：还原反应 阳极：氧化反应 阴极：还原反应

38 练习 分析下图，哪个是原电池，哪个是电解池。

39 1．下列说法或实验现象的描述不正确的是（ ）。
A．把铜片和铁片紧靠在一起浸入稀硫酸中，铜片表面出现气泡 B．把铜片插入氯化铁溶液中，在铜片表面出现一层铁 C．把锌粒放入盛有盐酸的试管中，加入几滴氯化铜溶液，气泡放出速度加快 D．与电源负极相连的是电解槽的阴极 2．100mL浓度为2mol/L的盐酸跟过量的锌片反应，为加快反应速率，又不影响生成氢气的总量，可采用的方法是（ ）。 A．加入适量的6mol/L的盐酸 B．加入数滴氯化铜溶液 C．加入适量蒸馏水 D．加入适量的氯化钠溶液 3．用石墨作电极，电解1mol/L下列物质的溶液，溶液的PH值保持不变的是（ ）。 A．HCl B．NaOH C．Na2SO D．NaCl 4．下列关于铜电极的叙述，正确的是（ ）。 A．铜锌原电池中铜是正极 B．用电解法精炼粗铜时，铜作阳极 C．在镀件上电镀铜时可用金属铜作阳极 D．电解稀硫酸制H2、O2时，铜作阳极

40 思考: e- 1. a 、b哪一极为正极？ 2. 若要给铁叉镀锌， a极选用什么材料？ 选择何种溶液？

41 金属性强弱的判断 已知①M+N2+=M2++N ②Pt极电解相同浓度P和M的硫酸盐，阴极先析出M ③N与E有导线相连放入E的硫酸盐溶液,电极反应：E2++2e-=E，N-2e-=N2+，则四种金属活泼性由强到弱为 答案：P>M>N>E

42 工业上采用Fe、C为电极电解K2MnO4溶液制KMnO4 1.电解时,应以 作阴极，电解过程中阴极附近溶液pH将会 , 2.阳极反应式为 ,
2.阳极反应式为 , 3.总电解反应式为 答案:Fe 增大 MnO42—_e- =MnO4— 【 2K2MnO4+2H2O=2KMnO4+2KOH+H2↑

43 电解计算——电子守恒法 例一 ： 铂电极电解1LCu(NO3)2和KNO3混合溶液,通电一段时间,两极均产生11.2L(S.T.P)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↓ H++2e- =H2↑ 阳极转移电子的物质的量为: 0.5×4 = 2mol,消耗4OH- 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.

44 计算关系式： O2～2Cu～4Ag～4H＋～2H2～2Cl2～4OH－
例二 ： 用石墨电极电解100mL H2SO4与CuSO4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

45 ①金属M的相对原子质量及 x、n 值； ②电解溶液的pH（溶液体积仍为100mL）。 Mx+ + xe- = M
例三 ： 某硝酸盐晶体化学式为M(NO3)x·nH2O，式量为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： ①金属M的相对原子质量及 x、n 值； ②电解溶液的pH（溶液体积仍为100mL）。 Mx xe = M 0.005mol mol g 所以：x = 2 ；M = 64 ；n = 3 产生H+为0.01mol，pH=1

46 练 习 1.右图中x、y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加,b极板处有无色无臭气体放出,符合这一情况的 A

47 Cu + 2H2O=Cu(OH)2↓+ H2↑。但选择恰当电极材料 和电解液进行电解，这个反应就能变为现实。下列四
种电极材料和电解液中，能实现该反应最为恰当的是 B A B C D 阳极 石墨 Cu 阴极 Fe Pt 电解液 CuSO4溶液 Na2SO4溶液 H2SO4溶液 H2O

48 写出上文中电解池的阴阳极反应式和电解池总反应式。
3.德国人哈伯发明了合成氨技术而获得1918年诺贝尔化学奖，但该方法须在高温高压催化剂，否则难以自发进行。2000年希腊化学家斯佳在《科学》杂志上公布了他的新发明在常压下把氢气与氮气通入一加热到570℃的电解池（如图）氢氮在电极上合成氨，而且转化率高于哈伯法的五倍，达到80%. 固体复合氧化物 该电解池采用了能传导某种离子（ H+、 Li+、F-、 O2- ）的固体复合氧化物为电解质（简称SCY），吸附在SCY内外侧表面的金属钯多孔多晶薄膜为电极。 写出上文中电解池的阴阳极反应式和电解池总反应式。