电解池及其应用专题讲座.doc

专题讲座－电解池及其应用
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
(一)比较原电池和电解池

原电池
电解池
一般
组成
条件
①
两种活泼性不同的电极材料
金属或石墨均可作电极
②
两电极用导线连接(或直接接触)
外接直流电源
③
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)

e
电极确定的依据、方法和名称
电极材料活泼性差异
与外电源的连接方式
负极——较活泼金属
阳极—与电源正极相接
e
正极——较不活泼材料
e
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

通电
电极方程式
(－)Fe－2e＝Fe2＋
(＋)2H＋＋2e＝H2↑
(阳)2Cl－－2e＝Cl2↑
(阴)2H＋＋2e＝H2↑
电池总反应
Fe＋2H＋＝Fe2＋＋H2↑
2HCl H2↑＋Cl2↑

电池作用
①氧化和还原反应分在两极进
行，形成电流
②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:
①阴离子在阳极放电顺序:

SO42－、NO3－、OH－、Cl－、Br－、I－、S2－

失电子能力依次增强
②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)
电解液
(实例)
电极产物
相当于电
解何物
pH值变化
为恢复可加
入的物质
阳极 阴极
含氧酸(H2SO4)
O2 H2

H2O
减小

H2O
可溶性强碱(NaOH)
O2 H2
增大
活泼金属含氧酸盐(Na2SO4)
O2 H2
由盐种类定
无氧酸(HCl)
Cl2 H2
电 解
质本身
增大
HCl
不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)
Cl2 Cu
/
CuCl2
活泼金属无氧酸盐(NaCl)
Cl2 H2
水 和
电解质
增大
HCl
不活泼金属含氧酸盐(CuSO4)
O2 Cu
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”.
电 解
例如:电解CuSO4溶液：
2H2O＋2CuSO4 2Cu＋O2↑＋2H2SO4
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:
① CuO＋H2SO4＝CuSO4＋H2O
② Cu(OH)2＋H2SO4＝CuSO4＋2H2O
比较①、②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)
解析 O2 ～ 2CuO
1mol 2mol
0.1mol 0.2mol
mCuO＝0.2×80＝16(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) 2H＋＋2e＝H2↑（放电能力 H＋＞ Na＋）
电 解
阳极(C) Cl－－2e＝Cl2↑ （放电能力Cl－＞OH－）
电解总方程:2NaCl＋2H2O 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) 2H＋＋2e＝H2↑
阳极(Fe) Fe－2e＝Fe2＋
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↓ Mg2＋CO32-
BaCO3↓ NaOH足量
(MgCO3微溶)
Mg(OH)2↓ CO32－、OH－
加HCl调节PH＝7

CO2↑ NaCl溶液

⑵装置-----离子交换膜法电解槽
构造：阳极：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
阳离子交换膜——允许Na+、H2O分子通过，Cl-、OH-、气体分子通不过。
电火花
其目的为：
①防止H2、CL2混合电火花下反应爆炸 H2＋Cl2 2HCl
② 防止防止Cl2进入阴极区与NaOH反应，影响烧碱的质量和产量。
Cl2＋2NaOH＝NaCl＋NaClO＋H2O
(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? NaCl合适吗？
电 解

电解方程式:2H2O 2H2↑＋O2↑
电解水的作用:①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.②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.
电 解
阳极—石墨，阴极—Fe、C等金属.
电 解
如:2NaCl(熔融) 2Na＋Cl↑
2Al2O3 4Al＋3O2↑(加入Na3AlF6以降低Al2O3熔点，)
如：铝的冶炼
1000℃成为共熔体、节约能源
Al2O3熔点很高2045℃
冰晶石(Na3AlF6)作熔剂
电离 Al2O3（熔融） 2Al3＋＋3O2－
电极方程式
阳极（C） 4Al3+＋12e 4Al
电解
阴极（Fe） 6O2－－12e 3O2
电解方程式 2Al2O3 4Al＋3O2↑
阳极副反应 C＋O2 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:Cu－2e＝Cu2＋
Fe－2e＝Fe2＋,Ni－2e＝Ni
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:Cu2＋＋2e＝Cu
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.
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:M－ne＝Mn＋
阴极——镀件 电极反应::Mn＋＋n＝M
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Zn2＋＞H＋,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
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
1
NaOH
CuSO4
2
AgNO3
CuCl2
3
Na2SO4
AgNO3
4
NaCl
AgNO3

① 工作一段时间后A槽pH值上升,B槽的pH下降.
②b、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：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:① 电极名称要区分清楚.
② 电极产物要判断准确.
③ 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

A
B
1
增大
减 小
2
减小
不显著
3
不变
减 小
4
增大
减 小
由此可知,符合条件①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)
1
4OH－～ O2
2Cu2＋～ 2Cu
2
4OH－～ O2
2Cu2＋～ 2Cu
3
4OH－～ O2
4Ag＋～ 4Ag
4
2Cl－ ～ Cl2
2Ag＋～ 2Ag

故符合要求②的只有第4组
综合①、②,(1)应选4组
(2)第4组溶液电解时的电解反应:
a:4H＋＋4e＝2H2↑ b:4Cl－－4e＝2Cl2↑
c:4Ag＋＋4e＝4Ag d:4OH－－4e＝2H2O＋O2↑
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＋～ 2H＋
71g 2g 2mol
7.1g xg 0.5y
x＝0.2(g) y＝0.4(mol/L)
例2 以铜、银为阴、阳极，浸入1升0.1摩/升AgNO3溶液里进行电解，当阴极增重2.16克固体时，下列判断正确的是（ ）
A.溶液浓度为0.08摩/升 B.阳极上产生112ml气体（标况）
C.有1.204×1023个电子转移 D.反应中有0.02摩物质氧化
解析 注意这是个以Ag为阳极，以AgNO3为电解质溶液的电镀池.电极反应为
阳极 Ag－e＝Ag＋ 氧化
阴极 Ag＋＋e＝Ag 还原
因此，没有O2生成，电镀液浓度不变，被氧化的物质及转移的电子数为
Ag ——----Ag＋ ——----------- e
＝0.02mol 0.02mol 6.02×1023×0.02＝1.204×1022个
故 D正确