第四章化學反應與能量第二節電解池

一個能自發進行的氧化還原反應通常可以設計成原電池，對環境作(電)功，如：Cu(s)＋

Cl2(g)＝

CuCl2(aq)?H＜0；就可以設計成如下圖所示的原電池。Cu＋

?e?e?1mol/LCl－1mol/LCu2＋反應的本質：銅氯原電池的正極電勢高于負極電勢，因此電子從負極向正極轉移的過程是一個自發的過程。負極電勢

φ(Cu2＋/Cu)＝＋0.34V正極電勢

φ(Cl2/Cl?)＝＋1.36V電源電動勢

E＝＋1.02V新課導入

一個能自發進行的氧化還原反應通常可以設計成原電池，對環境作(電)功，如：Cu(s)＋

Cl2(g)＝

CuCl2(aq)?H＜0；就可以設計成如下圖所示的原電池。Cu＋

?e?e?1mol/LCl－1mol/LCu2＋反應的本質：銅氯原電池的正極電勢高于負極電勢，因此電子從負極向正極轉移的過程是一個自發的過程。新課導入Cu(s)＋Cl2(g)＝Cu2＋(aq)＋2Cl?(aq)自發的電子轉移電子的轉移是非自發的思考：如何使CuCl2分解，這一非自發的過程得以實現？環境必須對該體系做功Cu2＋＋Cl－Cu＋Cl2Cu＋Cl2Cu2＋＋Cl－(a)自發過程的實現(b)非自發過程的實現自發與非自發過程的實現新課導入Cu2＋＋Cl－Cu＋Cl2Cu＋Cl2Cu2＋＋Cl－(a)自發過程的實現(b)非自發過程的實現自發與非自發過程的實現誰是CuCl2分解為Cu和Cl2這個過程中的水泵呢？

我們所需的這個“泵”做功的對象不是“水流”而是“電子流”，因此直流電源正是我們需的“電子泵”，將直流電源接入則可能實現非自發氧化還原反應的實現。新課導入Cu2＋＋Cl－Cu＋Cl2Cu＋Cl2Cu2＋＋Cl－(a)自發過程的實現(b)非自發過程的實現自發與非自發過程的實現新課導入Cu(s)＋

Cl2(g)＝

Cu2＋(aq)＋

2Cl?(aq)

真實情況是否如我們想象的一樣呢？實驗驗證?

＋一、電解原理1、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解

在U形管中注入質量分數為25%的CuCl2溶液，插入兩跟石墨棒作電極。把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在與直流電源正極相連的石墨棒附近。接通直流，觀察U形管內的現象和試紙顏色的變化。實驗現象生成氣體使濕潤的碘化鉀淀粉試紙變藍析出紅色固體溶液藍色褪去一、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解實驗現象陽極陰極陰極：溶液的藍色逐漸褪去，石墨棒上逐漸覆蓋一層紅色的物質陽極：有氣泡產生，濕潤的碘化鉀淀粉試紙變成藍色(銅)(Cl2)一、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解現象分析OH-Cl-Cl-Cu2+Cu2+H+Cl-Cl-通電前CuCl2溶液中的主要離子有Cu2＋、Cl?、H＋和OH?，在溶液中做無方向性的熱運動通電后由于陽極的電勢比陰極的電勢高，溶液中的陰離子(Cl?和OH?)主要向陽極移動、陽離子(Cu2＋和H＋)主要向陰極移動OH-Cl-Cl-Cu2+Cu2+H+Cl-Cl-離子遷移方向“＋－、－＋”一、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解現象分析OH-Cl-Cl-Cu2+Cu2+H+Cl-Cl-電解過程中，在陰極附近大量的Cu2＋和少量H＋都有得到電子的趨勢，但由于Cu2＋比H＋具有更強的氧化性且占據濃度優勢，因此陰極表面Cu2＋優先得電子OH-H+OH-H+Cl2陰極：Cu2＋

＋2e?＝Cu(還原反應)一、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解現象分析OH-Cl-Cl-Cu2+Cu2+H+Cl-Cl-同理在陽極附近，大量的Cl?和少量OH?都有失去電子的趨勢，但由于Cl?比OH?具有更強的還原性且占據濃度優勢，因此陽極表面Cl?優先失電子。OH-H+OH-H+Cl2陽極：2Cl??2e?＝

Cl2↑(氧化反應)一、電解原理(1)教材P101·實驗4?2CuCl2溶液的電解電極反應陽極(＋)：2Cl?

?2e?＝

Cl2↑

(氧化反應)陰極(－)：Cu2＋

＋2e?＝Cu

(還原反應)化學方程式：Cu2＋

＋2Cl?

===Cu+Cl2↑通電小知識：陰、陽離子在電極表面失去或得到電子的過程叫放電實驗結論：在直流電源作用下，溶液中的CuCl2發生了反應，生成了Cu和Cl2。2、電解和電解池(1)電解：

使電流通過電解質溶液或熔融電解質而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。(2)電解池(電解槽)：將電能轉化為化學能的裝置注意：電解質溶液(或熔融電解質)的導電過程，就是電解質溶液(或熔融電解質)的電解過程。是化學變化。一、電解原理(3)電極與電極反應電化學規定：發生氧化反應的為陽極，發生還原反應的陰極一、電解原理(3)電極與電極反應電化學規定：發生氧化反應的為陽極，發生還原反應的為陰極陽極：與直流電源正極相連的電極，陽極上活性電極本身或電解質溶液(或熔融電解質)中還原性強的陰離子失電子，發生氧化反應。陰極：與直流電源負極相連的電極，陰極上電解質溶液(或熔融電解質)中氧化性強的陽離子得電子，發生還原反應。電極材料惰性電極(僅導電不參與反應)活性電極(既導電又能參與反應)如：碳棒、Pt、Au除Pt、Au外金屬(5)電子和離子的移動方向①電子的流動方向：電子從電源負極沿導線流入電解池的陰極，陽極失去電子，電子沿導線流回電源正極。(電子不下水)②離子的移動方向：陽離子移向陰極；陰離子移向陽極(“＋－、－＋”或陰陽相吸)(4)電解池的構成條件具有直流電源兩個電極電解質溶液或熔融電解質形成閉合回路一、電解原理練、如圖是電解氯化銅溶液的裝置，其中c、d為石墨電極，則下列有關判斷正確的是(

)A.a為負極，b為正極B.a為陽極，b為陰極C.電解過程中，d電極質量增加D.電解過程中，氯離子濃度不變C一、電解原理3、電極反應規律一、電解原理電解過程中離子的放電順序是受多方面因素影響，即有熱力學因素，又有動力學因素，還有電壓大小、電極材料等其他因素的影響。一般地，我們討論離子的放電順序都是建立在濃度相同、電壓恒定的基礎上。得出以下一般性的放電順序。陽極：活性電極

＞

S2?＞I?＞Br?＞Cl?＞OH?/H2O＞(最高價含氧酸根離子)＞F?水溶液中沒有機會失電子陽極：(1)關注電極材料

(2)要記準I?＞Cl?＞OH?/H2O3、電極反應規律一、電解原理陽極：活性電極

＞S2?＞I?＞Br?＞Cl?＞OH?/H2O＞(最高價含氧酸根離子)＞F?水溶液中沒有機會失電子注意：(1)關注電極材料

(2)要記準I?＞Cl?＞OH?/H2O陰極：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Fe2＋＞Zn2＋＞H2O＞Al3＋＞Mg2＋＞Na＋＞Ca＋＞K＋只在熔融狀態下放電注意：(1)Fe3＋→Fe2＋

(2)要記準Ag＋

>Fe3＋

>Cu2＋

>H＋溫馨提示：這里只介紹離子放電順序的一般規律，若在試題中出現不符合此規律的提示，應按照試題的引導及客觀事實對電極反應進行分析。切勿將此規律生搬硬套。思考1：在電解氯化銅溶液的裝置中，若把電解質換成硫酸銅，其結果又如何呢？寫出電極反應。分析:(1)溶液中所含陽離子：Cu2+、H+(2)溶液中所含陰離子：OH?、SO42?放電順序：Cu2+>H+陰極反應：Cu2+

+2e?

＝

Cu陽極反應：2H2O?4e?＝O2↑+4H＋放電順序：OH?>SO42?一、電解原理思考2：若電解硫酸銅溶液一小段時間后加_____可復原CuO思考3：若電解硫酸銅溶液一段時間后，Cu2+全部放電，電解還能繼續嗎？若能繼續，試寫出兩極電極反應式陽極：2H2O?4e?＝O2↑+4H＋陰極：2H2O+2e?＝H2↑+2OH?總反應：2H2O===2H2↑+O2↑電解一、電解原理思考4：此時可向溶液中加____________可復原。CuO和H2O思考5：若用銅作電極電解硫酸銅溶液陽極反應：陰極反應：Cu2++2e?

＝CuCu?2e?

＝Cu2+小結：用惰性電極進行電解時的電解規律電解類型僅溶劑水電解僅溶質電解溶質和溶劑同時電解舉例物質類別實例含氧酸強堿活潑金屬的含氧酸鹽無氧酸不活潑金屬的無氧酸鹽活潑金屬的無氧酸鹽不活潑金屬的含氧酸鹽

溶液pH

變化溶液復原方法電極反應陽極：陰極：陽極：陰極：陽極：陰極：陽極：陰極：陽極：陰極：H2SO4NaOHNa2SO42H2O?4e?＝O2↑+4H＋2H2O+2e?＝H2↑+2OH?減小增大不變H2OHCl2Cl??

2e?

＝Cl2↑2H＋+2e?＝H2↑增大HClCuCl22Cl??

2e?

＝Cl2↑Cu2＋+2e?＝

CuCuCl2NaCl2Cl??

2e?

＝Cl2↑2H2O+2e?＝H2↑+2OH?增大HClCuSO42H2O?4e?＝O2↑+4H＋Cu2＋+2e?＝

Cu減小CuO練、請寫出用惰性電極電解下列溶液的總反應方程式(1)NaCl溶液：(2)CuSO4溶液：(3)AgNO3溶液：2NaCl+2H2O===2NaOH+H2↑+Cl2↑電解2CuSO4+2H2O===2Cu+2H2SO4+O2↑電解4AgNO3+2H2O===4Ag+4HNO3+O2↑電解一、電解原理練、用石墨電極電解100mLH2SO4與CuSO4的混合液，通電一段時間后，兩極均收集到2.24L(標況)氣體，則原混合液中Cu2+的物質的量濃度為(

)

A.1mol/LB.2mol/LC.3mol/LD.4mol/LA一、電解原理1、電解飽和食鹽水(1)氯堿工業：

用電解飽和氯化鈉溶液的方法來制取氫氧化鈉、氫氣和氯氣，并以它們為原料生產一系列化工產品的工業，稱為氯堿工業。(2)電解飽和食鹽水的反應原理①通電前：溶液中含有的離子:_____________________

通電時：移向陽極的離子是:____________

移向陰極的離子是:____________Na＋、Cl?、H＋、OH?Cl?、OH?Na＋、H＋二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水電解前

陰、陽兩極的現象

電解后②陽極反應式:_________________

陰極反應式:_________________________2Cl?－2e?

＝

Cl2↑2H2O＋

2e?＝2OH?+H2↑二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水(2)電解飽和食鹽水的反應原理③電解的總反應式化學方程式:_________________________________離子方程式:_________________________________2NaCl+2H2O==2NaOH+H2↑+Cl2↑通電2Cl?+2H2O==2OH?+H2↑+Cl2↑通電

在此實驗中，電解產物之間能夠發生化學反應，如NaOH溶液能與Cl2發生生成NaClO，H2和Cl2混合后遇熱或光照會發生爆炸。在工業生產中，為了避免產物的混合，需使反應在特殊的電解槽中進行。二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水②陽極反應式:_________________

陰極反應式:_________________________2Cl?－2e?

＝

Cl2↑2H2O＋

2e?＝2OH?+H2↑(3)氯堿工業生產流程(離子交換膜法制燒堿)①生產設備名稱：離子交換膜電解槽陰極：涂覆有鎳涂層的碳鋼網；陽極：涂覆著鈦、釕等氧化物涂層的金屬鈦網；陽離子交換膜：只允許陽離子通過(陰離子和氣體不能通過)，把電解槽隔成陰極室和陽極室。離子交換膜的作用：a.防止了產生的H2(陰)和Cl2(陽)相混合而引起爆炸；b.避免氯氣與氫氧化鈉反應，而影響氫氧化鈉產量。二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水Cl?Cl?Cl?Cl?Cl2Na＋＋－Na＋Na＋Na＋Na＋OH?H＋＋OH?H2OH＋＋OH?H2OH2H2O(含少量NaOH)精制飽和食鹽水淡鹽水濃NaOH溶液陽離子交換膜陽極室陰極室H2Cl2陰極陽極離子交換膜法電解飽和食鹽水原理示意圖②有人利用電解飽和食鹽水的原理設計一個制備少量NaClO消毒液的電解裝置，如圖所示。請補充完整圖中的信息，在虛線框中畫出電源符號，并寫出電解反應方程式。陰極：______________________陽極：______________________總反應：____________________電解法制備NaClO溶液裝置導管電極材料:_______電極材料:_______電解質溶液:________－＋石墨石墨NaClNaCl+H2O===NaClO+H2↑通電2H2O＝2OH?+H2↑Cl?－2e?+2OH?＝ClO?+H2O二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水陽極－－－陽膜陰膜陰膜陽膜陰膜陽膜陰極出口1出口2電滲析法淡化海水裝置Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－Na＋Cl－③利用隔膜法電解飽和食鹽水的原理還可設計一種淡化海水的裝置，如圖所示。請在圖中標出各室中Na＋和Cl?的遷移方向，并在出口處標注“濃鹽水”和“淡水”。淡水濃鹽水二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水二、電解原理的應用——電解飽和食鹽水(4)氯堿工業產品及其應用電解飽和食鹽水NaOH含氯漂白劑Cl2H2HCl有機合成氯化物合成造紙、玻璃肥皂、紡織印染有機合成農藥鹽酸有機合成金屬冶煉液堿濕氯氣濕氫氣2、電鍍(1)概念:

利用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的加工工藝。(3)電鍍實驗裝置(電鍍池)二、電解原理的應用——電鍍(2)目的:使金屬增強防銹抗腐蝕能力，增加表面硬度和美觀＋﹣

電鍍原理示意圖直流電源ZnSO4溶液鋅片待鍍鐵制品待鍍金屬(鍍件)：作陰極鍍層金屬：作陽極電鍍液：含有鍍層金屬離子(3)電鍍實驗裝置(電鍍池)二、電解原理的應用——電鍍＋﹣

電鍍原理示意圖直流電源ZnSO4溶液鋅片待鍍鐵制品待鍍金屬(鍍件)：作陰極鍍層金屬：作陽極電鍍液：含有鍍層金屬離子陽極反應式:_______________陰極反應式:_______________Zn－2e?＝Zn2＋Zn2＋+2e?＝Zn溫馨提示：離子的放電順序主要取決于離子本身性質，陰極還與離子濃度、溶液pH有關；陽極與電壓(電流密度)有關。(4)特點：陽極溶解、陰極沉積、電鍍液的濃度保持不變3、金屬的電解精煉粗銅：火法煉銅得到的粗銅純度約為98%左右，含有Ni、Fe、Zn、Au、Ag等雜質，不能滿足電氣工業的要求，經過電解精煉可以得到純度在

99.95%~99.98%的電解銅。粗銅CuSO4溶液精銅(2)試設計一個電解精煉銅裝置陽極：粗銅板陰極：純銅板電解液：硫酸酸化的CuSO4溶液

(加硫酸以增強溶液導電性)二、電解原理的應用——金屬的電解精煉陽極：Cu－2e?＝Cu2＋(主)Zn－2e?＝Zn2＋(次)

Ni－2e?＝Ni2＋(次)

Fe－2e?＝Fe2＋

(次)(3)電解過程說明：金屬活動順序表中位于Cu前的Zn、Ni、Fe等金屬雜質也會同時失去電子，是陽極的副反應。而位于Cu后的Au、Ag等金屬因失電子能力較弱，難以變成陽離子而溶解，當陽極上的Cu失電子溶解后，它們以金屬單質的形式沉積在電解槽底部形成“陽極泥”，陽極泥是提煉金、銀等貴金屬的原料。二、電解原理的應用——金屬的電解精煉陰極：Cu2＋＋2e?＝Cu(3)電解過程二、電解原理的應用——金屬的電解精煉說明：溶液中大量的Cu2＋、一定量的H＋和少量Zn2＋、Ni2＋、Fe2＋等離子，均具有得電子能力，但Cu2＋濃度最大且得電子能力最強，因此在陰極得電子還原為Cu附著陰極上，陰極上就得到了精銅。思考：當外電路通過0.2mol電子時，陽極減重6.4g()，陰極增重6.4g()，電解質溶液中Cu2＋濃度保持不變()。√╳╳練、金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量鐵、鋅、銅、鉑等雜質，可用電解法制備高純度的鎳，下列敘述正確的是()(已知：氧化性Fe2＋

<Ni2＋

<Cu2＋)A.陽極發生還原反應，其電極反應式:Ni2＋＋2e?＝NiB.電解過程中，陽極質量的減少與陰極質量的增加相等

C.電解后，溶液中存在的金屬陽離子只有Fe2＋和Zn2＋D.電解后，電解槽底部的陽極泥中有銅和鉑D二、電解原理的應用——金屬的電解精煉4、電冶金金屬冶煉的本質：Mn＋＋ne?

＝M電解是最強有力的氧化還原手段，因此電解法是冶煉金屬的一種重要方法。對于像Na、Ca、Mg、Al這樣的活潑金屬，電解幾乎是唯一可行的工業方法。二、電解原理的應用——電冶金(1)電解熔融NaCl制取金屬鈉陽極:陰極:總反應:2Cl?﹣2e?

＝Cl2↑2Na++2e?

＝2Na2NaCl(熔融)===2Na+Cl2↑通電(2)電解冰晶石(Na3AlF6)?氧化鋁共熔物制取鋁Al2O3的熔點很高，難熔化，而熔融的冰晶石能夠溶解氧化鋁。冰晶石?氧化鋁熔鹽的熔點相對較低，這樣有利于工業化的生產。二、電解原理的應用——電冶金4、電冶金(2)電解冰晶石?氧化鋁