电解质溶液在通电情况下的变化.doc

7.4电解质溶液在通电情况下的变化一教学目标1知识与技能（1）饱和氯化钠溶液的电解（B）（2）电解池的构造与工作原理（B）2过程与方法通过电解饱和食盐水的实验，运用观察、分析、抽象、概括的思维方法探究电解池结构以及工作原理。3情感态度与价值观（1）从对电解水、饱和食盐水实验现象的分析中，领悟宏观表象和微观本质的关系。（2）通过对阳离子交换膜电解槽的认识，感受电解原理在工业生产中的应用和技术的进步。二教学重点和难点1重点电解原理、饱和食盐水中离子的放电顺序2难点电解饱和食盐水的阴极区产物三教学用品电解水的实验用具一套 电解饱和食盐水的微型学生实验用品四教学过程一、电解饱和食盐水1、实验装置2、实验现象在U型管的两个电极上都有气体放出。阳极放出有刺激性气味的黄绿色气体，并且能使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，说明放出的是Cl2；阴极放出无色的气体，经爆鸣验证是H2；同时发现阴极附近溶液变红，这说明溶液里有碱性物质生成。3、理论解释为什么会出现这些实验现象呢？这是因为NaCl是强电解质，在溶液里完全电离，水是弱电解质，也微弱电离，因此在溶液中存在着Na+、H+、Cl、OH四种离子。当接通直流电源后，带负电的OH和Cl向阳极移动，带正电的Na+和H+向阴极移动。在这样的电解条件下，Cl比OH容易失去电子，在阳极被氧化成氯原子，氯原子结合成氯分子放出，使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝。H比Na容易得到电子，因而H不断地从阴极获得电子被还原为氢原子，并结合成氢分子从阴极放出。阳极反应：2Cl2e=Cl2（氧化反应）阴极反应：2H2eH2（还原反应）在上述反应中，H是由水的电离生成的，由于H 在阴极上不断得到电子而生成H2放出，破坏了附近的水的电离平衡，水分子继续电离出H和OH，H又不断得到电子变成H2，结果在阴极区溶液里OH的浓度相对地增大，使酚酞试液变红。因此，电解饱和食盐水的总反应可以表示为：4、实验总结电解像这种使直流电通过电解质溶液而发生氧化还原反应的过程叫做电解。电解是电能转变为化学能的过程，可见,电解质溶液的导电过程也就是电解质溶液的电解过程。5、用途工业上利用这一反应原理，制取烧碱、氯气和氢气。6、拓展：离子交换膜法在上面的电解饱和食盐水的实验中，电解产物之间能够发生化学反应，如NaOH溶液和Cl2能反应生成NaClO、H2和Cl2混合遇火能发生爆炸。在工业生产中，要避免这几种产物混合，常使反应在特殊的电解槽中进行。离子交换膜法制烧碱目前世界上比较先进的电解制碱技术是离子交换膜法。这一技术在20世纪50年代开始研究，80年代开始工业化生产。离子交换膜电解槽主要由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。一个单元槽的示意图。电解槽的阳极用金属钛网制成，为了延长电极使用寿命和提高电解效率，钛阳极网上涂有钛、钌等氧化物涂层；阴极由碳钢网制成，上面涂有镍涂层；阳离子交换膜把电解槽隔成阴极室和阳极室。阳离子交换膜有一种特殊的性质，即它只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na通过，而Cl、OH和气体则不能通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。一台离子交换膜电解槽的示意图（共16个单元槽）。二、电解氯化铜溶液1、实验装置在一个U型管中注入CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极，把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与电池正极相连的电极附近。接通直流电源，观察U型管内发生的现象及试纸颜色的变化。2、实验现象接通直流电源后，电流表指针发生偏转阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色物质，这是析出的金属铜；在阳极碳棒上有气泡放出，并可闻到刺激性的气味，同时看到湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝，可以断定，放出的气体是Cl2。这个实验告诉我们，CuCl2溶液受到电流的作用，在导电的同时发生了化学变化，生成了Cu和Cl2。3、理论解释CuCl2溶液在电流的作用下为什么会分解生成Cu和Cl2呢？这是因为，CuCl2是强电解质，在水溶液中电离生成Cu2+和Cl：CuCl2Cu22Cl通电前，Cu2+和Cl在溶液里自由地移动着：通电后，在电场的作用下，这些自由移动的离子，改作定向移动。带负电的阴离子向阳极移动，带正电的阳离子向阴极移动。在阳极，Cl失去电子被氧化成氯原子，并两两结合成Cl2 ，从阳极放出。在阴极，Cu2+获得电子被还原成铜原子，覆盖在阴极石墨棒上。在两个电极上发生的反应可以表示如下：阳极：2Cl2e Cl2（氧化反应）阴极：Cu2+2e Cu（还原反应）4、实验总结把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。跟直流电源的负极相连的电极是电解池的阴极。通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极。跟直流电源的正极相连的电极是电解池的阳极，通电时，电子从电解池的阳极流出，沿导线流回电源的正极。这样，电流就依靠溶液里阴离子和阳离子的定向移动而通过溶液。电解CuCl2溶液的化学反应方程式就是阳极上的反应和阴极上的反应的总和。在上述电解过程中，没有提到溶液里的H+ 和OH。实际上，在水溶液中，还存在着水的电离平衡：H2O H+OH 因此，在CuCl2溶液中，存在着四种离子：Cu2+、Cl、H+和OH。通电时，移向阴极的离子有Cu2+和H+，因为Cu2+比H+容易得到电子，所以Cu2+在阴极得到电子生成金属铜从溶液中析出。通电时，移向阳极的离子有Cl和OH，在这样的实验条件下，Cl比OH容易失去电子，所以Cl在阳极失去电子，生成Cl2。 5、原电池和电解池的比较原 电 池电 解 池能量转化化学能电能电能化学能组成条件活泼性不同两电极用导线连接两电极插入电解质溶液(自发反应)形成闭合回路两电极与电源连接两电极插入电解质溶液形成闭合回路装置特征异无电源；两极材料不同有电源；两极材料可相同，也可不同同两极上发生氧化还原反应电极名称由电极本身决定负极：较活泼金属正极：较不活泼金属(或其它导电性材料)由电源决定阳极：与电源正极连接阴极：与电源负极连接电极反应正极：得电子 还原反应负极：失电子 氧化反应阳极：失电子 氧化反应阴极：得电子 还原反应电子流向负极正极电源负极阴极电源正极阳极6、铜的电解精炼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。铜的电解精炼原理示意图 铜的电解精炼原理 电解时，用粗铜板作阳极，与直流电源的正极相连，用纯铜片作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液（加入一定量的硫酸）作电解液。当含杂质的铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：Zn2e Zn2Ni2e Ni2+但是它们的阳离子比Cu2+难以还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液里。而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等金属杂质，因为给出电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的Cu失去电子变成离子溶解之后，它们是以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥（阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料）。这样，在阴极就得到了纯铜。电解时，两极发生如下反应：阴极Cu2+2e Cu阳极Cu2e Cu2+由于阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率相同，所以溶液中CuSO4的浓度基本保持不变，但需定时除去其中的杂质。用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度很高，可以达到99.9599.98。这种铜的导电性能良好，符合电气工业的要求，因此电解铜被广泛用以制作导线和电器等。7、电镀铜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，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。电镀的原理与电解精炼铜的原理是一致的。电镀时，一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液；把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；而用镀层金属作为阳极，与直流电源正极相连。通入低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属，覆盖在需要电镀的金属制品上。铜有许多优良性能，被广泛应用于工业中，如人们常在钢铁表面镀铜来改善金属制件的性能。镀铜层虽然可以直接用作表层，但通常则主要用于电镀其他金属前的预镀层。例如，在钢铁表面电镀其他金属时，往往要先预镀上一薄层铜，然后再镀所需镀的金属，这样可以使镀层更加牢固和光亮，因此镀铜是应用最广的电镀方法。在烧杯里放入CuSO4溶液，用一铁制品（用酸洗净）作阴极，铜片作阳极（如图）。通电，观察铁制品表面颜色的变化。通过实验，我们可以发现，银白色的铁制品变成紫红色的了。当然，在电镀的实际生产中，反应过程远比这个实验复杂得多。为了使镀层致密、坚固、光亮，生产中要采取很多措施。例如，在电镀前要对镀件进行抛光、除油、酸洗、水洗等预处理，并且还常在电镀液中加入一些其他盐类，以增加溶液的导电性，促进阳极的溶解，还要在电镀液中加入一些添加剂；在电镀时，要不断搅拌，并控制温度、电流、电压和使电解液的pH在一定范围之内。在电镀工业的废水中常含有剧毒物质，如氰化物、重金属等。这些有毒物质如随废水流入自然水域，会严重污染水体。氰化物会毒死水中生物，而重金属会被贝类等吸收，最终危害人类健康。因此，绝不允许将电镀废水直接排入自然水域，必须经过处理，回收其中的有用成分，把有毒有害物质的浓度降低到基本无害的水平，符合工业废水排放标准。减小电镀污染的另一重要途径是改进电镀工艺，尽量使用污染少的原料，如改变电镀液成分，采用无氰电镀工艺等。8、电解产物的判断:阳极产物：若为金属电极，则金属失去电子：M ne Mn+若为惰性电极，则比较溶液中阴离子放电顺序，容易失电子的阴离子优先放电。结论1. 阳离子放电顺序: Ag+ Hg2+ Fe3+ Cu2+ H+ Pb2+ Sn2+ Fe2+ Zn2+ Al3+ Mg2+ Na+ Ca2+ K+依次减弱阴极产物:与电极材料无关，比较溶液中阳离子放电顺序，容易得电子的阳离子优先放电。结论2.阴离子放电顺序: 阴离子失电子能力依次减弱S2- I- Br - Cl - OH - 含氧酸根 F -9、电化学基本原理原电池、电解池、电镀池的判断原电池无外接电源、符合原电池的形成条件电解池有外接电源、阳极不参加反应为电解池、阳极参加反应一般为电镀池当两电池串联时，原电池两极材料明显不同，而且有一极能和电解质溶液发生反应，而电解池一般来说两极材料是一样的或与电解质溶液不发生反应、可逆电池电极的判断:例：某蓄电池放电、充电时的反应为：Fe+Ni2O3+3H2O Fe(OH)2+2Ni(OH)2，下列推断中不正确的是 ( )A.放电时，Fe为正极，Ni2O3为负极B.充电时，阴极上的电极反应式是Fe(OH)2+2e-Fe+2OH-C.充电时，Ni(OH)2为阳极D.蓄电池的电极必须浸在某种碱性电解质溶液中原电池 电解池正 + 负 阳 + 阴、电极反应式的书写方法：对于燃料电池：可根据电解液写出燃料电池总反应，再写出正极的电极反应式(一般较简单如：O2+2H2O+4e-=4OH-)，然后由燃料电池总反应减去正极的电极反应式得负极的电极反应式(但要注意电极反应式中不能有氧化剂)，或根据电荷守恒直接写出负极反应式。例如:甲烷燃料电池负极反应式： CH4+2O2+2OH-CO32-+3H2O )(O2+2H2O+4e-4OH-) 2 CH4-8e-+10OH-CO32-+7H2O注意问题：正、负极上发生电极反应不是孤立的，它往往与电解质溶液紧密联系。如氢-氧燃料电池，它的负极是多孔的镍电极，正极为覆盖氧化镍的镍电极，电解质溶液是KOH溶液，在负极通入H2，正极通入O2，电极反应：负极：2H2+4OH-4e-4H2O 正极：O2+2H2O+4e-4OH-负极的反应我们不能写成：2H2-4e-4H+。因为生成的H+会迅速与OH-生成H2O。另外，当电解质溶液为稀H2SO4溶液时，正极为：O2+4H+4e-2H2O、电解的基本类型:例：某溶液中含有两种溶质NaCl和H2SO4，它们的物质的量之比为3:1。用石墨做电极电解该混合溶液时，根据电极产物，可明显分为三个阶段。下列叙述不正确的是( ) A.阴极自始至终只析出H2 B.阳极先析出Cl2，后析出O2 C.电解最后阶段为电解水 D.溶液pH不断增大，最后为7用惰性电极进行电解时溶液中的各种变化情况简析类型电极反应特点实例电解对象电解质浓度pH溶液复原电解水型阴：4H+ + 4e- 2H2阳：4OH-4e- 2H2O+O2NaOH水增大增大水H2SO4水增大减小水Na2SO4水增大不变水分解电解质型电解质电离出的阴阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大氯化氢CuCl2电解质减小氯化铜电解NaCl溶液型阴极:H2O放H2生碱阳极:电解质阴离子放电NaCl电解质和