4.2电解池 课件(共31张PPT)

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第四章 化学反应与电能
第二节 电 解 池　
自1800年，伏特发明了伏打电池后，科学家们纷纷开始利用伏打电池研究电的化学效应，对水、盐溶液，熔融固体化合物进行通电实验，其中英国化学家戴维在点解释议案中发现了钠、钾、镁、钙、锶、钡等多种元素，成为发现最多新元素的科学家。
1833年，英国科学家法拉第，经过一系列的实验，发现当把电流作用在氯化钠的水溶液时，能够获得氯气，这一发现为氯碱工业的发展有重要的促进作用
石墨
饱和食盐水
情境—— 电解池的前世今生
氯碱工业
电解精炼铜
电 镀
电化学合成
电解处理废水
【实验4-2】
在U形管中注入质量分数为25%CuCl2溶液，插入两根石墨棒作电极材料，把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与直流电源正极相连的石墨棒附近。接通直流电源，观察U形管内的现象和试纸颜色的变化。
CuCl2溶液
石墨棒
石墨棒
oooooooooooooooooooo
－ ＋
阴极
阳极
Cu
Cl2
ooooooooooooooooooooooo
e-
e-
【思考与讨论】
与直流电源负极相连的电极为阴极，发生还原反应。
与直流电源正极相连的电极为阳极，发生氧化反应。
阳离子Cu2+和H+
向阴极移动
阴离子OH-和Cl-
向阳极移动
Cu2+在阴极放电：
Cl-在阳极放电：
2Cl－－2e－=Cl2↑
（氧化反应）
Cu2+ ＋ 2e－ = Cu
（还原反应）
总反应式：CuCl2 Cu + Cl2↑
电解
1．电解：使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。
注意：①电流应是直流电 ②熔融态的电解质也能被电解
2．电解池：将电能转化为化学能的装置(也称电解槽)。
3．电解池的构成：
①外加直流电源
③电解质溶液或熔融的电解质
④形成闭合回路
②阴、阳两极
一、电解原理
⑤能发生氧化还原反应
可以是自发的反应，也可以是非自发的反应
两极一液一电源，氧化还原是条件
4.几种流向的问题
（1）电流：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→电解池阴极→电源负极）
（2）电子流向： 电源 极 → 电解池 极；
电解池 极 → 电源 极
（3）离子： 阳离子 → 电解池 极
阴离子 → 电解池 极
负
正
阳
阴
阴
阳
电流(I)流向
5.电解规律
①活性电极：电极自身放电即电极自身失去电子发生氧化反应，
如：Fe、Cu、Ag
②惰性电极：电极自身不反应，只导电。如：Au、Pt、C
(1)判断阴、阳极
分析阳极材料是惰性电极
还是活性电极。
阴极材料只要导电就可以
阴极：
阴极上放电的总是溶液中的阳离子，与电极材料无关。
得电子能力（氧化性）强的离子先放电。
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+酸>Pb2+>Sn2+ >Fe2+>Zn2+>H+水>Al3+>Mg2+>…>K+
这5种金属离子在水中不放电，只有在熔融状态下放电，制备单质时只有电解熔融氯化物或熔融氧化物。
这4种金属离子浓度较大时，先于H+放电。
Fe3+得电子能力比Cu2+强，但第一阶段Fe3+只被还原为Fe2+
(2)分析电解质溶液中的全部离子并分为阴、阳两组
提示:不要忘记水溶液中的H+和OH-,不要把H+、OH-误加到熔融电解质中。
(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序
活泼金属作阳极,则金属首先失电子，发生氧化反应。
若是惰性电极作阳极，则只有溶液中阴离子放电。
失电子能力（还原性）强的离子先放电。
阳极：
活泼电极>S2->I- >Br - > Cl- > OH- >含氧酸根（NO3- 、SO42-、CO32-）>F-
小结：看电极→找离子→分阴阳→排顺序→写反应
①电解水型：
电解质 H2SO4 NaOH Na2SO4
阳极反应式 阴极反应式 pH变化
复原加入物质 减小
增大
不变
H2O
4OH-－4e－=O2↑＋2H2O
4H＋＋4e－=2H2↑
H2SO4、NaOH、Na2SO4 等含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐。
（4）电解规律(用惰性电极电解时)
②电解电解质型：
电解质 HCl CuCl2
阳极反应式 阴极反应式 Cu2＋＋2e－=Cu
pH变化
复原加入物质
2Cl－－2e－=Cl2↑
2H＋＋2e－=H2↑
增大
HCl
CuCl2
HCl、CuCl2等无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐溶液的电解
电解质 NaCl CuSO4
阳极反应式
阴极反应式
pH变化
复原加入物质
2Cl－－2e－=Cl2↑
2H2O－4e－=O2↑＋4H＋
2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－
2Cu2＋＋4e－=2Cu
增大
减小
HCl
CuO或CuCO3
④放氧生酸型：
③放氢生碱型：
2CuSO4+ 2H2O 2Cu +O2 ↑+ 2H2SO4
电解
2NaCl+2H2O 2NaOH+H2 ↑ + Cl2 ↑
电解
阳极：S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > 含氧酸根 > F-
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅱ与Ⅳ区： 如Na2SO4、H2SO4 、NaOH
阴极：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>（H+）>Al3+>Mg2+>Na+
电解本身型 ：
放氢生碱型 ：
放氧生酸型 ：
电解水型 ：
Ⅰ与Ⅲ区： 如CuCl2 、HCl
Ⅰ与Ⅳ区： 如NaCl
Ⅱ与Ⅲ区： 如CuSO4、AgNO3
电解后溶液的复原，从溶液中放出的气体和生成的沉淀，按照原子个数比组成具体物质再加入溶液即可。遵循“少什么加什么，少多少加多少”的原则。
二、电解原理的应用
1.电解饱和食盐水：
（氯碱工业）
食盐水中的离子：
H＋、Na＋、Cl－、OH－
湿润的淀粉—KI试纸变蓝
离子移动方向：
移向阳极，
移向阴极
Cl－、OH－
H＋、Na＋
现象：
阴极有无色气体产生，阴极端溶液变红，阳极产生的黄绿色气体能使淀粉—KI溶液变蓝。
阳极反应：
2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极反应：
2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
电解饱和食盐水必须解决两个主要问题：
①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
②避免生成的Cl2和H2混合，原因：
遇火或强光会爆炸
解决方法：
使用离子交换膜
生产设备：阳离子交换膜电解槽
－
+
Cl2
Cl—
H2
Na+
H+
OH—
淡盐水
NaOH溶液
精制饱和NaCl溶液
H2O（含少量NaOH）
阳离子交换膜
阳 极
阴 极
阳极室
阴极室
阳离子交换膜：只允许阳离子通过，将电解槽隔成阳极室和阴极室。可避免H2和Cl2混合；也避免Cl2和NaOH反应从而影响NaOH的产量。
【思考】
如果想在铁制品表面镀上铜，该如何设计实验？
2.电镀
应用电解原理，在金属表面镀上一薄层金属或合金的方法。
目的：增强金属的抗腐蚀能力、耐磨性或改善金属制品的外观。
①电极式：
阳极：Cu - 2e- = Cu2+
阴极：Cu2+ + 2e- = Cu
②电镀液：
含Cu2+离子的电解质溶液
①电极：
阳极：镀层金属
阴极：待镀金属制品（即镀件）
②电镀液：
含有镀层金属离子的电解质溶液
实际电镀时，为了得到均匀、光洁、致密的镀层，往往需要在电镀液中加入各种助剂。
黄铜矿
粗铜（含有锌、铁、镍、银、金、铂等微量杂质）
如果用粗铜制电线会大大降低其导电能力
3.铜的电解精炼
【交流研讨】结合现象，思考：
①阳极和阴极材料分别是？
②粗铜中的杂质金属如何除去？
③电解精炼后，
CuSO4溶液有何变化？
CuSO4溶液
阳极：
不及铜活泼的贵重金属（银、金等）不放电沉入槽底形成阳极泥，可作为提炼金、银等贵重金属的原料。
阴极：Cu2+ + 2e- =Cu
（Cu2+氧化性最强且浓度最大）
比铜活泼的金属先反应
Zn – 2e- = Zn2+ Fe – 2e- = Fe2+ Ni – 2e- = Ni2+（先反应）
Cu – 2e- = Cu2+（后反应，是主要反应）
随着电解的进行电解质溶液中CuSO4的浓度变小
K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au
电解法
热还原法
加热
分解法
物理提取法
4. 电冶金
金属冶炼：使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程。
原理： Mn+ + ne- = M
由于电解是最强有力的氧化还原手段，所以电解法是冶炼金属的一种重要方法。对于冶炼Na、Ca、Mg、Al这样的活泼金属，电解法几乎是唯一可行的工业方法。
熔融NaCl
阴极
阳极
e-
e-
Na+
Cl-
总反应：2NaCl = 2Na+Cl2↑
电解
阴极：2 Na++2e- ＝ 2Na
阳极：2 Cl－－2e- ＝ Cl2↑
电解熔融的Al2O3制备Al
阴极:
阳极:
总反应:
4Al3+ + 12e- = 4Al
6O2- - 12e- = 3O2↑
2Al2O3(熔融) = 4Al + 3O2↑
电解
助熔剂：冰晶石（Na3AlF6 六氟合铝酸钠）
冰晶石
电解熔融的氯化镁：（制取金属镁）
阳极：
阴极：
2Cl - －2e- = Cl2↑
Mg2+ + 2e- = Mg
MgCl2(熔融) == Mg + Cl2 ↑
电解
【思考】工业制取镁，用的氯化镁而不用氧化镁？制取铝时，用的是氧化铝而不用氯化铝？
原因：因为氧化镁的熔点比氯化镁高很多，浪费了能量 ；
氯化铝是共价化合物，共价化合物为分子晶体，不能电解
而氧化铝是离子化合物，可电解。