高中化学选修4课件_19电解原理的应用 44页

第四章 电化学基础 第三节 电解池 第二课时 二、 电解原理的应用 16 二月 2021 电解饱和食盐水反应原理 思考 : （ 1 ）电解池的两极各产生什么现象 ? 若在两极附近均滴加酚酞试液，会有什么现象 ? （ 2 ）怎样初步检验两极产物的生成 ? （ 3 ）结合教材，分析产生这种现象的原因。 在 U 型管里装入饱和食盐水，用一根碳棒作阳极，一根铁棒作阴极。接通直流电源 实验装置 2 1. 电解食盐水 现象： 阳极：有气泡产生，使湿润的淀粉－ KI 溶液变蓝 阴极：有气泡产生，滴加酚酞溶液变红 阳极： 2Cl - -2e - =Cl 2 ↑ 阴极： 2H + +2e - =H 2 ↑ 总式： 2NaCl+2H 2 O=2NaOH+H 2 ↑+Cl 2 ↑ ( 条件 : 通电 ) 实验装置 3 （ 1 ）生产设备名称：离子交换膜电解槽 阴极：碳钢 阳极：钛 ( 表面镀有贵重金属或某些活性金属氧化物） 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。 氯碱工业 : 离子交换膜法制烧碱 4 － + Cl 2 Cl 2 Cl — H 2 Na + H + OH — 淡盐水 NaOH 溶液 精制饱和 NaCl 溶液 H 2 O （含少量 NaOH ） 离子交换膜 阳 极 金属钛网 阴 极 碳钢网 阳极室 阴极室 5 严格说此处是阳离子交换膜，只允许阳离子通过 粗盐的成份： 泥沙、 Ca 2+ 、 Mg 2+ 、 Fe 3+ 、 SO 4 2 － 杂质，会与碱性物质反应产生沉淀，损坏离子交换膜 精制食盐水 杂质的除去过程： 粗盐水 含少量 Ca 2+ .Mg 2+ 精制盐水 6 2. 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。 粗铜 含杂质 (Zn Fe Ni Ag Au 等 ) 纯铜 粗铜 阳极： Zn→ Zn 2+ ＋ 2e - Fe → Fe 2+ ＋ 2e - Ni → Ni 2+ ＋ 2e - Cu → Cu 2+ ＋ 2e - Zn Fe Ni Cu Ag Au 阴极 : Cu 2+ + 2e - → Cu 阳极泥 问：电解完后， CuSO 4 溶液的浓度有何变化？ CuSO 4 溶液 7 3. 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： 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 CuSO 4 的浓度保持不变 或变小 8 阳极： 6O 2- -12 e - =3O 2 ↑ 阴极： 4Al 3+ + 12e - =4Al 4. 冶炼铝 通电 总式： 2Al 2 O 3 4Al+3O 2 ↑ 原理 : 助熔剂：冰晶石（ Na 3 AlF 6 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 AlCl 3 ? 9 冶炼铝设备图 阳极 C 电解质 烟罩 熔融态铝 钢壳 钢导电棒 阴极 C 耐火材料 10 电解池、电解精炼池、电镀池的比较 电解池 电解精炼池 电镀池 定义 形成 条件 电极 名称 电极 反应 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。 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 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 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。 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 阳极：不纯金属； 阴极：纯金属 阳极：氧化反应 阴极：还原反应 11 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？ 3. 若要给铁叉镀金， a 极选用什么材料？ 选择何种溶液？ 思考 : e - 12 金属性强弱的判断 已知 ①M+N 2+ =M 2+ +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： E 2+ +2e - =E ， N-2e - =N 2+ ，则四种金属活泼性由强到弱为 答案： P>M>N>E 13 工业上采用 Fe 、 C 为电极电解 K 2 MnO 4 溶液制 KMnO 4 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 , 3. 总电解反应式为 . 2K 2 MnO 4 +2H 2 O=2KMnO 4 +2KOH+H 2 ↑ 答案 :Fe 增大 MnO 4 2—_ e - =MnO 4 — 14 电解计算 —— 电子守恒法 例一 ： 铂电极电解 1LCu(NO 3 ) 2 和 KNO 3 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 - =2H 2 O+O 2 ↑ 阴极 Cu 2+ +2e - =Cu↓ 2H + +2e - =H 2 ↑ 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 0.5molH 2 , 消耗 H + 1mol; 所以溶液中 C(H + )=1mol/L pH=0 生成 H 2 转移的电子 :0.5 ×2=1mol, 故还有 1mole - 用于还原 Cu 2+ , 可析出铜为 0.5mol. 15 O 2 ～ 2Cu ～ 4Ag ～ 4H ＋ ～ 2H 2 ～ 2Cl 2 ～ 4OH － 计算 关系式： 例二 ： 用石墨电极电解 100mL H 2 SO 4 与 CuSO 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 Cu 2+ 的物质的量浓度为（ ） A.1mol/L B.2mol/L C.3mol/L D.4mol/L A 阳极 O 2 为 0.1mol ，电子为 0.4mol 则 H 2 为 0.1mol ，所以 Cu 为 0.1mol ，浓度为 A 16 例三 ： 某硝酸盐晶体化学式为 M(NO 3 ) x · n H 2 O ，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 ）。 M x + + x e - = M 0.005mol 0.01mol 0.32g 所以： x = 2 ； M = 64 ； n = 3 产生 H + 为 0.01mol ， pH=1 17 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 练 习 18 2. 根据金属活动顺序表， Cu 不能发生如下反应： Cu + 2H 2 O=Cu(OH) 2 ↓ + H 2 ↑ 。 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 A B C D 阳极 石墨 Cu Cu Cu 阴极 石墨 石墨 Fe Pt 电解液 CuSO 4 溶液 Na 2 SO 4 溶液 H 2 SO 4 溶液 H 2 O B 19 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%. 该电解池采用了能传导某种离子（ H + 、 Li + 、 F - 、 O 2 - ）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。 固体复合氧化物 20 答案： 阳极： 3H 2 →6H + ＋ 6e － 阴极： N 2 +6H + +6e→2NH 3 通电 电解反应 ： N 2 +3H 2 2NH 3 21 4. 在如下的装置中进行电解，并已知铁极的质量减小 11.2 克。 （ 1 ） A 是电源的 极 （ 2 ）电解过程中，电路中通过 摩电子 （ 3 ） Ag 极的电极反应是 ；析出物质是 克 （ 4 ） Cu(a) 的电极反应是 ； （ 5 ） Cu(b) 的电极反应是 。 22 5. 按照下图接通线路，反应一段时间后，回答下列问题（假设所提供的电能可以保证电解反应的顺利进行）： （ 1 ） U 型管内发生什么现象 ? 写出有关反应的化学方程式 （ 2 ）在 A b 烧杯中发生什么现象 （ 3 ）如果小烧杯中有 0.508 克碘析出，问大烧杯中，负极减轻多少克 ? 23 6. 按下图的装置进行电解实验： A 极是铜锌合金， B 极为纯铜，电解质中含有足量的铜离子。通电一段时间后，若 A 极恰好全部溶解，此时 B 极质量增加 7.68 克，溶液质量增加 0.03 克，则 A 合金中 Cu 、 Zn 原子个数比为 　　 A 4 ︰ 1 B 3 ︰ 1 C 2 ︰ 1 D 任意比 24 电化学专题３＼４ 25 Fe Cu 氯化铜溶液 氯化铜溶液 Cu C 氯化铜溶液 Cu C 1 、写出下列装置的电极反应，并标明氧化反应还原反应 A B D C Fe Cu 氯化钠溶液 练 习 26 （ A ） （ B ） （ C ） （ D ） CuSO 4 AgNO 3 AgNO 3 NaHSO 4 Ag Cu Cu C Pt Pt Ag Fe 2 、写出下列装置的极反应，并判断 A 、 B 、 C 溶液 PH 值的变化。 练 习 27 1 、池型的判断 有外加电源一定为电解池，无外加电源一定为原电池；多池组合时，一般含活泼金属的池为原电池，其余都是在原电池带动下的电解池。 小结：一、原电池与电解池的比较及判断： 3 、电解池放电顺序的判断 阳极放电： 1 ）惰性电极： 则溶液中阴离子放电。 2 ） 非 惰性电极 ：电极材料首先失电子。 阴极放电： 电极材料受保护，溶液中阳离子放电。 2 、电极的判断 原电池，看电极材料，电解池看电源的正负极。 28 4 、判断溶液的 pH 变化： 先分析原溶液的酸碱性，再看电极产物。 （ 1 ）如果只产生氢气而没有氧气，只 pH 变大； （ 2 ）如果只产生氧气而没有氢气，只 pH 变小； （ 3 ）如果既产生氢气又产生氧气 ① 若原溶液呈酸性则 pH 减小； ② 若原溶液呈碱性 pH 增大； ③ 若原溶液呈中性 pH 不变。 29 吹毛求疵：实则是水变或电解质浓度变； 唯一办法是活学活用掌握原理。 3. 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 练 习 30 ① 电极： 阳极 —— 镀层金属 阴极 —— 待镀金属制品 小结：二、电解池的应用 ---- 电镀及氯碱工业 待镀制品 铜片 硫酸铜溶液 ② 电镀液：含有镀层金属离子的电解质溶液。 ③ 电解质溶液：溶液中 CuSO 4 的浓度保持不变。 1 、 电镀 31 ⒉ 氯碱工业原理 氯碱工业（离子膜法） + － 精制饱和 NaCl 淡盐水 Cl 2 H 2 NaOH 溶液 H 2 O 含少量 NaOH Cl － Cl 2 H + OH － Na + Na + 交换膜 32 举例： 1 、 a 极变细， b 极变粗： 2 、 a 极变细， b 极有气泡： 3 、 a 极变粗， b 极有气泡： 4 、 a 极有气泡 , b 极有气泡，且气体体积比为 2 ： 1 5 、 a 极有气泡 , b 极有气泡 ; 阴极加酚酞变红 拓展练习 33 4 、下列图一、图二是铁钉在水中被腐蚀的实验 数天后 数天后 图一 图二 （ 1 ）上述两装置中铁钉发生变化的共性是： （ 2 ）图一说明原溶液呈 性，铁钉发生 腐蚀， 电极反应为： （ 3 ）图二说明原溶液呈 性，铁钉发生 腐蚀， 电极反应为 ： 发生了原电池 反应 中性或弱碱 吸氧 负极： Fe -2e = Fe 2+ ； 正极： 2H 2 O +O 2 +2e 　 =4OH - 　　　　 负极： Fe -2e = Fe 2+ ；正极： 2H + +2e = H 2 ↑ 较强酸性 析氢 练 习 34 小结：三、电解池及原电池的应用 ---- 金属的防护 1 ）金属腐蚀快慢的判断 ① 电解原理引起的腐蚀 > 原电池原理引起的腐蚀 > 化学腐蚀 > 有防腐蚀措施的腐蚀 ② 同一种金属的腐蚀： 强电解质 > 弱电解质 > 非电解质 2 ）金属的防护方法 ① 改变金属内部结构 ② 覆盖保护层 ③ 电化学保护法 外加电源的阴极保护法 牺牲负极的正极保护法 35 5. 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 Fe Zn Fe Sn A( 海水 ) B( 海水 ) C( 海水 ) D( 海水 ) Fe Sn F( 天然水 ) E( 海水 ) D E F A C B 拓展练习 36 6 、汽车上用的铅蓄电池是以一组充满海绵状灰铅的铅板和另一组结构相似的充满二氧化铅的铅板组成，用 H 2 SO 4 作电解液。总 反应式为： Pb+PbO 2 +2H 2 SO 4 2PbSO 4 +2H 2 O （ 1 ）试写出放电时的正、负极反应式 正极 :______________________________________ 负极 :______________________________________ （ 2 ）试写出充电时的阳、阴极反应式 阳极 :______________________________________ 阴极 :______________________________________ PbO 2 +4H + +SO 4 2- +2e - =PbSO 4 +2H 2 O Pb+ SO 4 2- － 2e - =PbSO 4 练 习 PbSO 4 +2H 2 O-2e - =PbO 2 + 4H + +SO 4 2- PbSO 4 +2e - =Pb + SO 4 2- 37 小结：四、原电池电解池的应用 ---- 可充电电池 阴极： 正极： 还原反应极 → 得电子极 → 电子流入极 放电：原电池 充电：电解池 负极： 阳极： 氧化反应极 → 电子流出极 失电子极 → 氧化反应极 失电子极 → 电子流出极 → 还原反应极 得电子极 电子流入极 → 38   此电池放电时，负极发生反应的物质为 A ． Ag B ． Zn(OH) 2 C ． Ag 2 O D ． Zn 充电 放电 2Ag + Zn(OH) 2 Ag 2 O + Zn + H 2 O 7 ．银锌电池广泛用于电子仪器的电源，它的充电和放电过程可表示为： D 拓展练习 39 1 ．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 - =2H 2 O+O 2 ↑ 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 巩固练习 40 2 ．如图为一种钮扣微型电池，其电极分别为 Ag 2 O 和 Zn 电解质溶液是 KOH 溶液，俗称银锌电池，该电池的电极反应式为： Zn +Ag 2 O== ZnO+2Ag 根据以上提供的资料，判断下列说法正确的是 　 A 、锌为负极， Ag 2 O 为 正极； B 、放电时正极附近溶液的 PH 值升高； C 、放电时负极附近溶液的 PH 值升高； D 、溶液中阴离子向正极方向移动，阳离子向负极方向移动。 AB 巩固练习 41 10 ．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 ． CuSO 4 溶液的 PH 值逐渐减小 D ． CuSO 4 溶液的 PH 值不变 a •X Y • b Pt Cu CuSO 4 溶液 NaCl 和酚酞溶液 AC 练 习 42 11 、下图为氢氧燃料电池原理示意图，按照此图的提示，下列叙述不正确的是 A ． a 电极是负极 B ． b 电极的电极反应为： 4OH — － 4e →2H 2 O+O 2 C ．氢氧燃料电池是一种具有应用前景的绿色电源 D ．氢氧燃料电池是一种只能将氧化剂和燃料全部储藏在电池内的发电装置 BD 43 12 ．一种新型的燃料电池，它以多孔镍板为电极插入 KOH 溶液中，然后分别向两极通入乙烷和氧气，其总反应为： 2C 2 H 6 +7O 2 +8KOH==4K 2 CO 3 +10H 2 O ，有关此电池的推断正确的是 A ．负极反应为 14H 2 O+7O 2 +28e - ==28OH - B ．放电一段时间后，负极周围的 pH 减低 C ．每消耗 1molC 2 H 6 ，则电路上转移的电子为 14mol D ．放电过程中 KOH 的物质的量浓度不变 B C 练 习 44