化学选修4：《电解池》课件

,第四章电化学基础,第三节电解池,【复习回顾】,想一想：构成原电池的条件是什么?原电池的电极如何判断?,写一写：原电池的电极反应式?,负极：,正极：,电池总反应：,Zn2e-=Zn2+,Cu2+2e-=Cu,Zn+Cu2+=Zn2+Cu,CuCl2溶液,联想*质疑,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?,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,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：,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：电流必须是直流电,【思考1】电解池的两极是怎样确定的？,.两个电极,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,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呢？,【思考2】形成电解池的条件是什么？,电子流向:从负极阴极，再从阳极正极。（注：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？,5.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极：Cu2+2e-Cu还原反应阴离子移向阳极放电阳极：2Cl-2e-Cl2氧化反应总反应式：,【思考5】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6】为什么Cu2+、Cl-放电，而不是H+和OH-,Ag+Hg2+Fe3+Cu2+H+Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+H+Al3+Mg2+Na+Ca2+K+,阴极:阳离子放电:,6.离子放电顺序,【说明】：水溶液中只考虑：Ag+Hg2+Fe3+Cu2+【H+】浓度很大时排在H+前面：Pb2+Sn2+Fe2+Zn2+H+只在熔融状态下放电：Al3+Mg2+Na+Ca2+K+,阴极,阳极,阴极：Cu2+2e-Cu还原反应,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，溶液中的阴离子不能在电极上放电。用惰性电极(Pt、Au、石墨、钛等)时：根据阴离子放电顺序加以判断：,阴离子的放电顺序：S2-I-Br-Cl-OH-NO3-SO42-(等含氧酸根离子）F-,阳极：放电顺序,说明：在水溶液中只考虑：S2-I-Br-Cl-OH-,阳极：2Cl-2e-Cl2氧化反应,阴极：Cu2+2e-Cu还原反应,电解电解质型,（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、SO42，放电顺序：OHSO42阳极：4OH-4e-=2H2O+O2,总反应：2H2O2H2+O2,电解水型,阴极,阳极,（1）溶液中所含阳离子：H+、Cu2+，放电顺序：Cu2+H+阴极：Cu2+2e=Cu,放氧生酸型,（2）溶液中所含阴离子：OH、SO42，放电顺序：OHSO42阳极：4OH-4e-=2H2O+O2,阴极,阳极,（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：ClOH阳极：2Cl2e=Cl2,总反应：2NaCl+2H2O=2NaOH+H2+Cl2,电解,放氢生碱型,阴极,阳极,【思考7】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。,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（还原反应）阳极：2Cl-2e-=Cl2（氧化反应）总式：,阴极,阳极,氯气,钠,熔融NaCl,【思考8】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,阴阳两极附近有哪些离子,阴极,阳极,阴极,阳极,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,阳极：2Cl-2e-Cl2,阴极：Cu2+2e-Cu,阳极：Cu-2e-Cu2+,阴极：Cu2+2e-Cu,【思考9】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：4OH4e=2H2O+O2总反应：2H2O=2H2+O2,电解,【思考10】电解池与原电池有哪些异同呢？,【思考11】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,都是氧化还原反应,小结2：原电池与电解池的比较:,不自发,自发,小结3：电解规律,阴极,阳极,氯气,铜,阳极：2Cl-2e-=Cl2,阴极：Cu2+2e-=2Cu,减小,增大,CuCl2,CuCl2溶液,1.电解电解质型：,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,2H2O2H2+O2,2.电解水型：,阳极,阴极,氯气,氢气,阳极:2Cl-2e-=Cl2,阴极:2H+2e-=H2,2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2,减小,增大,加HCl,NaCl溶液,3.放氢生碱型：,阳极,阴极,氧气,铜,阳极:4OH-4e-=2H2O+O2,阴极：Cu2+2e-=Cu,减小,减小,加CuO,CuSO4溶液,4.放氧生酸型：,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-=Cl2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,(1)电解时，只生成H2而不生成O2，则溶液的pH。(2)电解时，只生成O2而不生成H2，则溶液的pH。(3)电解时，既生成H2又生成O2，则实际为电解水。若为酸性pH，若碱性溶液，则溶液的pH，若为中性，则pH。,增大,减小,减小,增大,不变,小结4：电解过程中溶液pH的变化规律,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、氯气和氢气的工业）,总反应：,2NaCl+2H2O2NaOH+Cl2+H2,(1)原理：食盐水中存在的离子：,Na+、Cl-、H+、OH-,放电：阳离子H+Na+阴离子Cl-OH-,电极反应：,H+,Na+,Cl-,OH-,阴极,阳极,还原反应氧化反应,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？,阴极附近的溶液由无色变为红色,b.避免生成物H2和Cl2混合,因为:.,a.避免Cl2接触NaOH溶液会反应,使产品不纯,反应方程式:.,Cl2+2NaOH=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主要问题,(2)氯碱工业:离子交换膜法制烧碱,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。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，而影响NaOH的产量。,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,利用电解原理在某些金属的表面镀上一薄层其它金属或是合金的过程。,阴极镀件,电镀液含有镀层金属离子的溶液,阳极镀层金属,使金属增强抗腐蚀的能力，增加美观和表面硬度。,1）阳极本身参加电极反应2）电解质溶液的浓度保持不变,二、电解原理的应用,2、电镀,(1)定义：,(2)目的：,(3)电镀材料的选择：,(4)电镀的特点：,3、粗铜的电解精炼,问:电解完后,CuSO4溶液的浓度有何变化？,阳极：,Zn-2e-=Zn2+Fe-2e-=Fe2+Ni-2e-=Ni2+Cu-2e-=Cu2+,ZnFeNiCuAgAu,阴极:Cu2+2e-=Cu,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,二、电解原理的应用,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）：Cu2e-=Cu2+阴极（纯铜）：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的浓度变小（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,制取金属铝,电解熔融状态的氧化铝。,阳极：,6O2-12e-=3O2,阴极：,4Al3+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，在熔融状态下不电离，不导电，不能被电解。,冶炼铝设备图,烟罩,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,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)：H2SO4HClNaOHK2SO4CuCl2CuSO4NaClKMnO42.用石墨作电极电解CuCl2、NaCl的混合溶液时，阴极析出物质是_；阳极产物_。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_。,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),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.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,例1：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(标况)气体.求电解后溶液pH,并确定析出铜的物质的量.,解析：阳极4OH-4e-=2H2O+O2阴极Cu2+2e-=Cu2H+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/LpH=0生成H2转移的电子:0.52=1mol,故还有1mole-用于还原Cu2+,可析出铜为0.5mol.,三、电解计算电子守恒法,O22Cu4Ag4H2H22Cl24OH,计算关系式：,例2：用石墨电极电解100mLH2SO4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/LB.2mol/LC.3mol/LD.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0.01mol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-=M0.005mol0.01mol0.32g,所以：x=2；M=64；n=3,产生H+为0.01mol