电解池及其应用专题讲座

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1、专题讲座电解池及其应用专题讲座电解池及其应用一、本周教学进度及主要内容一、本周教学进度及主要内容： 选修 4 第四章 第三节 电解池 本讲主要内容： 1 通过和原电池的比较理解电解池的形成条件、基本工作原理。 2 理解并运用两极放电规律 3掌握各类酸、碱、盐溶液电解产物、溶液 pH 变化等情况(用惰性电极) 二、学习指导二、学习指导 (一)比较原电池和电解池原电池电解池两种活泼性不同的电极材料金属或石墨均可作电极两电极用导线连接(或直接接触)外接直流电源一般 组成 条件两电极插在电解质溶液中(或闭 合回路)两电极插在同一电解质溶液中 (或熔融状态)电极材料活泼性差异与外电源的连接方式负极较活泼

2、金属阳极与电源正极相接电极确定的依据、 方法和名称正极较不活泼材料阴极与电源负极相接电极反应负极 正极 (氧化) (还原) 阳极 阴极 (氧化) (还原)能量转化形式化学能转为电能电能转为化学能实例装置电极方程式()Fe2eFe2 ()2H2eH2(阳)2Cl2eCl2 (阴)2H2eH2电池总反应Fe2HFe2H22HCl H2Cl2电池作用氧化和还原反应分在两极进行，形成电流 加快了电子转移外电源犹如“电子泵”使通常 难以进行的氧化还原反应变成 可能；使通常能进行的反应变 得更加容易.(二)放电规律 (1)原电池的正极和电解池中的阴极本身均不放电.不论其材料活泼性如何,不参与电 极反应,故

3、受到保护. (2)原电池的负极、电解池的阳极为非惰性电极时,一般是电极本身即金属放电. (3)电解池中若阳极为惰性电极,由溶液中的离子放电. 一般离子的放电次序如下: 阴离子在阳极放电顺序:SO42、NO3、OH、Cl、Br、I、S2FeCHCl溶液FeC液溶lCH通电ee e失电子能力依次增强 阳离子在阴极放电顺序K、Ca2、Na、Mg2、Al3、Zn2、Fe2、H、Cu2、Ag得电子能力依次增强(三)各类酸、碱、盐溶液电解产物、溶液 pH 变化等情况小结(用惰性电极)电极产物电解液 (实例)阳极 阴极相当于电 解何物pH 值变化为恢复可加 入的物质含氧酸(H2SO4)O2 H2减小可溶性强

4、碱(NaOH)O2 H2增大活泼金属含氧酸盐(Na2SO4)O2 H2H2O 由盐种类定H2O无氧酸(HCl)Cl2 H2增大HCl 不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)Cl2 Cu电 解质本身/CuCl2 活泼金属无氧酸盐(NaCl)Cl2 H2增大HCl 不活泼金属含氧酸盐(CuSO4)O2 Cu水 和电解质减小CuO思考 1: 电解一段时间，为了恢原到电解前的溶液,如何确定所加入物质的种类?(惰性 电极) 分析 随着电解的进行,电解液或是浓度改变,或是溶质的种类改变,或是两者均有变化. 为了恢复到原溶液,既要考虑“质”又要考虑“量”. 例如:电解 CuSO4溶液： 2H2O2CuSO4 2C

5、uO22H2SO4 思路一 抓住溶液的变化 若加入 CuO、Cu(OH)2，均能与 H2SO4反应生成 CuSO4.方程式如下: CuOH2SO4CuSO4H2O Cu(OH)2H2SO4CuSO42H2O 比较、消耗的 H2SO4、生成的 CuSO4、H2O 即可知道:加入 1mol Cu(OH)2能与 1mol H2SO4反应能生成 1mol CuSO4和 2H2O.不符合电解时的相关物质的比例.若改加 CuO，则很合 适. 思路二 抓住两极产物.“合二为一”. 原理 电解时电解质溶液减少的质量即为两极上产物的质量和，符合守恒原理,但直接 通入或加入所得的产物,可能有的根本不反应,即使有的

6、反应又有其它产物,如电解食盐水, 若再通入 H2和 Cl2,则 Cl2与 NaOH 反应生成 NaCl 和 NaClO，H2与 NaOH 根本不反应。何况一 般只允许加入一种物质。 从守恒角度考虑，电解 CuSO4溶液，阴极析出 Cu,阳极生成 O2，H 元素的质量并未减少。 因而当加入 Cu(OH)2时，从元素种类的守恒考虑就不符合，更不必考虑量是否符合了.故可 将两极产物中元素合为一种化合物. 思考 2 如何确定所加物质的量?(惰性电极) 分析 由于两极上通过的电子数相等,故阴、阳两极产物的物质的量间一定满足确定的 关系.因而加入物与其也有一定关系. 例如 电解含 0.4mol CuSO4

7、溶液一段时间后，阳极上生成 2.24L 气体(S.T.P),则应加 入 CuO 多少克？(用惰性电极)电 解解析 O2 2CuO1mol 2mol0.1mol 0.2molmCuO0.28016(g)故加入 16g CuO 即能恢复 (四)电解原理的一般应用 1.电解饱和食盐水 氯碱工业 1) 实验装置及原理 电极材料:阳极(石墨)、阴极(铁) 电极反应 阴极(Fe) 2H2eH2（放电能力 H Na） 阳极(C) Cl2eCl2 （放电能力 ClOH） 电解总方程:2NaCl2H2O 2NaOH H2 Cl2阴极产物 阳极产物阴极区产物想一想:两材料能否交换?为什么? （提示）不能互换，Fe

8、 若作阴极材料，电极不参加反应；若作阳极材料，电极参加反应被 氧化.电极反应为： 阴极(C) 2H2eH2 阳极(Fe) Fe2eFe2 这样得不到 Cl2 2）工业生产流程 食盐水净化 电解 电解液处理 (1)食盐水的净化 食盐水中除含 Na、Cl-以外，还含有 SO42、Ca2、Mg2需除去.SO42、Ca2、Mg2加 BaCl2过量Ca2、Mg2(Ba2) BaSO4加 Na2CO3过量 (CaSO4微溶)CaCO3 Mg2CO32-BaCO3 NaOH 足量(MgCO3微溶)Mg(OH)2 CO32、OH加 HCl 调节 PH7CO2 NaCl 溶液装置-离子交换膜法电解槽 构造：阳极

9、：金属钛网，有钛、钌的氧化物涂层，保证阳极不被氧化。 阴极：碳钢网，涂有镍涂层电 解FeCNaCl溶液阳离子交换膜允许 Na+、H2O 分子通过，Cl-、OH-、气体分子通不过。 其目的为： 防止 H2、CL2混合电火花下反应爆炸 H2Cl2 2HCl 防止防止 Cl2进入阴极区与 NaOH 反应，影响烧碱的质量和产量。 Cl22NaOHNaClNaClOH2O (3)电解液的处理 NaCl 结晶 NaOH(溶解度较大) 加热 NaCl(溶解度较小) 蒸发 工业用浓碱溶液 精制固体2.电解 H2O电极材料:Pt加入 Na2SO4的作用:增强溶液的导电能力想一想:还能加入哪些合适的物质? NaC

10、l 合适吗？电解方程式:2H2O 2H2O2电解水的作用:制取 H2或 O2.在电力富余的国家或地区,可用于工业制法.科学家正在 努力寻找有效合适的催化剂,促使 H2O 分解,开发利用氢能源.利用两极 管中所得气体的体积比.气体的性质来确定水的组成. 3.活泼金属的冶炼:电解活泼金属的氧化物、碱或盐(熔融状态),制取活泼金属.阳极石墨，阴极Fe、C 等金属.如:2NaCl(熔融) 2NaCl 2Al2O3 4Al3O2(加入 Na3AlF6以降低 Al2O3熔点，) 如：铝的冶炼 Al2O3熔点很高 2045 冰晶石(Na3AlF6)作熔剂 电离 Al2O3（熔融） 2Al33O2 电极方程式

11、 阳极（C） 4Al3+12e 4Al 阴极（Fe） 6O212e 3O2 电解方程式 2Al2O3 4Al3O2 阳极副反应 CO2 CO2 需补充碳块 4.精炼铜用电解方法将粗铜中的杂质除去,获得精铜.装置:阳极:粗铜(含杂质:Zn、Fe、Ni、Ag、Au) 阴极:精铜(纯净物)电解液:CuSO4溶液电极反应式：阳极:Cu2eCu2Fe2eFe2,Ni2eNi比铜活泼的 Zn、Fe、Ni 先被氧化，以 Zn2+、Fe2+、Ni2+形式进入溶液中。不活泼金属 Ag、Au 落入“阳极泥”中阴极:Cu22eCu活泼金属离子 Fe2、Ni2不放电，留在溶液中,故可在阴极获得高纯度的 Cu.电 解电

12、 解精粗铜铜CuSO4溶液电 解电火花1000成为共熔体、节约能源电解5.电镀用电解法在某金属(镀件)表面镀上一薄层其它金属(镀层金属)电镀槽:阳极镀层金属 电极反应:MneMn阴极镀件 电极反应:MnnM电解液:含镀层金属阳离子的盐溶液实例:铁镀锌装置: 注意:为使放电顺序 Zn2H,故必须调节溶液的 pH 值,同时增大 Zn2浓度. 三、典型例题及点拨三、典型例题及点拨 例 用下图装置进行电解实验(a、b、c、d 均为铂电极),供选择的有 4 组电解液,要满 足下列要求: 组A 槽B 槽1NaOHCuSO42AgNO3CuCl23Na2SO4AgNO34NaClAgNO3工作一段时间后 A

13、 槽 pH 值上升,B 槽的 pH 下降.b、c 两极上反应的离子的物质的量相等(1)应选择的电解质是上述四组中的第_组 (2)该组电解过程中各电极上的电极反应为 a 极_ b 极_ c 极_ d 极_ (3)当 b 极上析出 7.1g 电解产物时,a 极上析出产物的质量为_g;若 B 槽电解质溶液 500mL，且忽略电解前后电解液的体积变化，则此时 B 槽中的H比电解前增加了_mol/L. 思路点拨思路点拨：有关电解的计算 原则 电化学的反应是氧化一还原反应,各电极上转移电子的物质的量相等,无论是单一 电池还是串联电解池,均可抓住电子守恒计算. 关键: 电极名称要区分清楚. 电极产物要判断准

14、确. 各产物间量的关系遵循电子得失守恒. 解析：先分析 A、B 两槽电解时溶液的 pH 值变化AB1增大减 小2减小不显著3不变减 小4增大减 小ZnCl液溶2FeZnABabcd由此可知,符合条件的有 1、4. (2)再分析 a、b、c、d 四极上的放电离子，特别注意 b、c 两极的反应.组别b 极(阳)c 极(阴)14OH O22Cu2 2Cu24OH O2 2Cu2 2Cu34OH O2 4Ag 4Ag42Cl Cl2 2Ag 2Ag故符合要求的只有第 4 组 综合、,(1)应选 4 组 (2)第 4 组溶液电解时的电解反应: a:4H4e2H2 b:4Cl4e2Cl2 c:4Ag4e4Ag d:4OH4e2H2OO2 a、b、c、d 四电极上同时得到的产物物质的量间关系,可由电子守恒快速列出. 2H2 2Cl2 4Ag O2 4e (3)B 槽中有 1mol OH放电，即有 1mol H生成,或从溶液电荷守恒考虑，因 NO3不消 耗，有 1mol Ag反应必有 1mol H生成.设 a 极上析出 xg H2,B 槽H增加了 y mol/L Cl2 H2 2OH 2Ag 2H71g