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一轮复习 电解池教案


张家口一中高三第一轮复习化学教案

电解原理及其应用

主备人:尹广智

8/28/2013

电解原理及其应用
【复习目标】 1. 知识技能目标 (1) 理解电解的原理, 记住常见离子的放电次序, 初步掌握一般电解反应产物的判断方法。 (2) 能正确判断电解池的阴阳极,能正确书写电极反应和

电解总反应方程式 (3) 能正确分析充电电池 (4) 使学生了解铜的电解精炼和电镀铜的原理。 (5) 了解氯碱工业反应原理:正确书写电极反应方程式和电解的总化学方程式。 2. 能力方法目标 培养发现问题、解决问题能力,体验大胆猜测。

解池的阳极时,先于其他物质发生氧化反应。 惰性阳极上:S >I >Br >Cl >OH >SO4 (NO
+ +

2-









2-

3-

)>F (与阴离子还原性一致) ;
2+ 2+ + 3+ 2+ +



阴极上:Ag >Hg2 >Fe3+>Cu >(H )>Pb >Sn >Fe >Zn >(H )>Al >Mg >Na (与 阳离子的氧化性强弱一致) 说明:由于 H 离子放电产生的 H2 不能很快地离去,增大了电极与溶液之间的电阻等原因,使 H
+ +

2+



2+

2+

的放电顺序发生变化。还应注意:在离子浓度相差十分悬殊的情况下,浓度大的离子可能先放 电,如:电解饱和 ZnSO4 溶液时,阴极上的主要产物是锌 5. 电解质导电的实质 电解质溶液(或熔融态离子化合物)的导电过程,就是电解质溶液(或熔融态离子化合物) 的电解过程。 6.电解池阴、阳极的判断方法: (1)根据电极与电源两极相连的顺序判断。与电源正极相连的一极为电解池的阳极,与电 源负极相连的一极为电解池的阴极。 (2)根据电解质溶液里离子流动的方向判断。在电解质溶液里阳离子移向阴极,阴离子移 向阳极。 (3)根据电解时两极发生的现象判断。在电解池中阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应, 两极可观察到不同的现象,根据发生的现象可判断出阴、阳两极。 7. 分析电解反应的一般方法步骤为: a.应先根据外接电源正确判断出阴阳极 b.再看电极材料,若金属做阳极(除 Au、Pt 外) ,电极本身会发生氧化反应 c.最后看电解质溶液中存在的离子, 分析电解质水溶液的组成, 找全离子并分为阴、 阳两组; d.分别对阴、阳离子排出放电顺序,写出两极上的电极反应式; e.合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。 8.电解后整个溶液的 PH 值变化由总反应及溶液浓度的变化来决定,可分为以下几种情况: 若消耗 H+或生成 OH ,溶液的 pH 值增大; 若消耗 OH 或生成 H+,溶液的 pH 值减小。 若电解水,PH 值的变化由原溶液的 PH 值来决定。 电解后电极附近溶液的 pH 值变化: . 由于离子迁移速率赶不上反应速率,所以判断电极周围溶液 PH 值的变化(指示剂的变色) 应看电极反应,而不是看离子的迁移。
1
- -

电解原理
1. 电解的概念 使电流通过电解质溶液(熔融态离子化合物)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫 做电解。 注意:①电流必须是直流而不是交流。②电能转化为化学能。③强有力氧化还原反应手段 2. 电解池的概念 借助于电流引起氧化还原反应的装置,也就是把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电 解槽。 3. 构成电解池的条件 (1)直流电源。 (2)两个电极:阳极发生氧化反应,与电源的正极相连; 阴极发生还原反应,与电源的负极相连。 (3)电解质溶液或熔融态离子化合物。 4. 放电次序 ①放电 :阳离子得到电子或阴离子失去电子而使离子所带电荷数目降低的过程。 ②惰性电极:用石墨、金、铂等还原性很弱的材料制做的电极,理由是它们在一般的通电 条件下不发生化学反应。 ③非惰性电极:用铁、锌、铜、银等还原性较强的材料制做的电极又叫做活性电极,它们做电

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电解原理及其应用


主备人:尹广智

8/28/2013

若阳极周围生成 O2,则消耗 OH ,PH 值减小; 若阴极周围生成 H2,则消耗 H+,PH 值增大。 9.几种典型电解质溶液的电解 电解 对象 电解质 浓度 溶液 pH 值 增大 水 增大 减小 不变 电解质 电解质 电解质 NaCl CuSO4 AgNO3 和水 电解质和 水 减小 不考虑 生成新 电解质 生成新 电解质 增大 加 HCl 加 CuCl2 加 HCl 加 CuO 加 Ag2O 加 H2O 使电解 质溶液 复原

的成分发生氧化反应。 ② 粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质,当含杂质的铜在阳极不断溶解时,位 于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如 Zn、Fe、Ni 等,也会同时失去电子, 但是它们的阳离子比铜离子难以还原,所以它们并不在阴极获得电子析出,而只是留在电 解液里。而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等杂质,因为给出电子的能力比铜弱,难以在 阳极失去电子变成阳离子溶解下来,当阳极上的铜失去电子变成离子溶解之后,它们以金属单 质的形式沉积在电解槽底,形成阳极泥(阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料) ③ 电解过程中,电解质溶液成分和浓度发生改变。 ④ 用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜,它的纯度可达到 99.95%~99.98%。 2. 电镀 (1)电镀的涵义 电镀是应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。 增大 (2)电镀的目的 电镀的目的主要是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。 (3)电镀的原理 电镀的原理与电解精炼铜的原理是一致的。电镀时,一般都是用含有镀层金属离子的电解 质配成电镀液;把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连,作为阴极;用镀层金属 作为阳极,与直流电源正极相连。通入低压直流电,阳极金属溶解在溶液中成为阳离子,移向 阴极,这些离子在阴极获得电子被还原成金属,覆盖在需要电镀的金属制品上。

类型

电极反应特点

实例

电 水型



阴:2H++2e =H2↑↓ 阳:4OH –4e =2H2O+O2↑ 电解质电离出的阴阳离子分 别在两极上放电
- -



NaOH H2SO4 Na2SO4

电解溶 质型 放 H2

HCl CuCl2

阴:H2O 放 H2 生碱 阳:电解质阴离子放电 阴:电解质阳离子放电 阳:H2O 放 O2 生酸

生碱型 放 O2

生酸型

减小

电解原理的应用
1. 铜的电解精炼 (1)电解法精炼铜的装置(如图)

(2)电解法精炼铜的化学原理 阳极(粗铜) :Cu-2e =Cu2
- + - +

⑷ 电镀过程中,电解质溶液成分和浓度不发生改变。 Zn-2e =Zn2
- +

Fe-2e =Fe2





Ni-2e =Ni2





3. 氯碱工业 (1)电解饱和食盐水反应原理 用惰性材料作阳极,电解食盐的饱和溶液,生成 Cl2、H2 和 NaOH。 阳极:2Cl -2e =Cl2↑(放电顺序:Cl >OH )
- - - -

阴极(纯铜) :Cu2 +2e =Cu 说明: ① 以铜为材料做的电极属于活性电极。在一般的电解条件下,活性阳极先于电解质溶液中
2

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阴极:2H +2e =H2↑(放电顺序:H >Na )
+ -

② 杂质的危害:Ca2 、Mg2 、Fe3 等金属离子在碱性环境中会生成沉淀,损坏离子交换膜; 此外,杂质的存在会使得到的产品不纯。 ③ 除杂质的过程:

在上述反应中,由于 H+在阴极上得到电子而生成 H2,破坏了附近的水的电离平衡,促进了 水继续电离,结果阴极区溶液里 OH 的浓度增大而呈现碱性。


(2)离子交换膜法制烧碱 ① 离子交换膜电解槽的组成 由阳极(金属钛网) 、阴极(碳钢网) 、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成,每 台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。下图表示一个单元槽的示意图。 注意: ① 除杂质时所加试剂的顺序要求是:a、Na2CO3 必须在 BaCl2 之后;b、加入盐酸在过滤之 后。 ② 试剂加入顺序有多种选择, a、 如: BaCl2、 NaOH、 2CO3、 Na 过滤、 HCl; BaCl2、 2CO3、 b、 Na NaOH、过滤、HCl;c、NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。 例(09 宁夏)请回答氯碱工业中的如下问题: (1)氯气、烧碱是电解食盐水时按照固定的比率 k(质量比)生成的 k= 表达式和结果) ; (2)原料粗盐中常含有泥沙和 Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO 4 等杂质,供电解使用。精制时,粗盐溶 ② 阳离子交换膜的作用 将电解槽隔成阴极室和阳极室,它只允许阳离子(Na )通过,而阻止阴离子(Cl 、OH
+ - -

(要求计算

2

于水过滤后,还要加入的试剂分别为① Na2 酸) 、③BaCl2 ,这 3 种试剂添加的合理顺序 是 。

)和气体通过。这样既能防止阴极产生的 H2 和阳极产生的 Cl2 相混合而引起爆炸,又能

(3)氯碱工业是高耗能产业,一种将电解池与燃料电池相组合的新能 30%以上。在这种工艺设 计中,相关物料的传输与转化关系如下图所示,未标出,所用的离子膜都只允许阳离子通过。

避免 Cl2 和 NaOH 作用生成 NaClO 而影响烧碱的质量。 (3)离子交换膜法电解制烧碱的主要生产流程(如下图)

(4)食盐的精制 ① 粗盐的成分:粗盐中的主要成分是 NaCl,此外还含有泥沙、Ca2 、Mg2 、Fe3 、
+ + +

①图中 X、Y 分别是



(填化学式) ,分析比较图示中分数 a%与 b%的大小

SO42 杂质。这样的粗盐不符合电解要求,因此必须经过精制。


②分别写燃烧电池 B 中正极、负极上发生的电极反应 正极:
3

;负极



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③这样设计的主要节(电)能之处在于(写出 2 处) 4 电解冶炼活泼金属



A. 可用铁作阳极材料 C. 阳极反应方程式为:2Cl -2e =Cl2
- -

B. 电解过程中阳极附近溶液的 pH 升高

D. 1mol 二价镍全部转化为三价镍时,外电路中通过了 1mol 电子。

有关电解原理的计算
例 1 (2008 年全国Ⅰ卷)电解 100mL 含c +) (H =0.30mol/L 的下列溶液, 当电路中通过 0.04mol 电子时,理论上析出金属质量最大的是 A.0.10mol/LAg+ B.0.02mol/L Zn2+ C.0.20mol/L Cu2+ D.0.20mol/L Pb2+

例 2 (09 年全国理综卷 I·28) (15 分)下图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放

充电电池
例 1. (2008 广东卷)LiFePO4 电池具有稳定性高、安全、对环境友好等优点,可用于电动汽车。 电池反应为: LiFePO4+Li 放电 LiFePO4,电池的正极材料是 LiFePO4,负极材料是石墨,含 Li+导电固体
充电

100g5.00%的 NaOH 溶液、足量的 CuSO4 溶液和 100g10.00%的 K2SO4 溶液,电极均为石墨电 极。

为电解质。下列有关 LiFePO4 电池说法正确的是 A.可加入硫酸以提高电解质的导电性 B.放电时电池内部 Li 向负极移动.

C. 充电过程中, 电池正极材料的质量减少 D. 放电时电池正极反应为: FePO4+Li++e-=LiFePO4 例 2. (2007 天津理综)天津是我国研发和生产锂离子电池的重要基地。锂离子电池正极材料是 含锂的二氧化钴(LiCoO2) ,充电时 LiCoO2 中 Li 被氧化,Li 迁移并以原子形式嵌入电池负 极材料碳(C6)中,以 LiC6 表示。电池反应为 LiCoO2 + C6 放电 CoO2 + LiC6 ,下列说法
充电


(1)接通电源,经过一段时间后,测得丙中 K2SO4 浓度为 10.47%,乙中 c 电极质量增加。 据此回答问题: ① 电源的 N 端为 极; ; ;

② 电极 b 上发生的电极反应为

正确的是 A.充电时,电池的负极反应为 LiC6 - e B.放电时,电池的正极反应为 CoO2 + Li


③ 列式计算电极 b 上生成的气体在标准状况下的体积: == Li + C6 + e


④ 电极 c 的质量变化是

g;



== LiCoO2 ,

⑤ 电解前后个溶液的酸、碱性大小是否发生变化,简述其原因: 甲溶液 乙溶液 丙溶液 ; ; ;

C.羧酸、醇等含活泼氢的有机物可用作锂离子电池的电解质 D.锂离子电池的比能量(单位质量释放的能量)低 例 3. (2007 广东化学)三氧化二镍(Ni2O3)可用于制造高能电池,其电解法制备过程如下:用 NaOH 调 NiCl2 溶液 pH 至 7.5,加放适量硫酸钠后进行电解。电解过程中产生的 Cl2 在弱碱 性条件下生成 ClO ,把二价镍氧化为三价镍。以下说法正确的是
4


(2)如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行,为什么? 。


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