高中化学实验活动4 简单的电镀实验导学案

这是一份高中化学实验活动4 简单的电镀实验导学案，共7页。学案主要包含了实验目的，实验仪器，实验药品，实验步骤，问题和讨论等内容，欢迎下载使用。
【实验目的】
1．认识电解原理及其在工业生产中的应用。
2．了解电镀的原理。
【实验仪器】
烧杯、砂纸、导线、2～3 V的直流电源、电流表
【实验药品】
铁制镀件、铜片、电镀液(以CuSO4溶液为主配制)、1 ml/L NaOH溶液、20%盐酸
【实验步骤】
1．把铁制镀件用砂纸打磨干净，放入1 ml·L－1NaOH溶液中除去油污，然后用蒸馏水洗净。再放入20%盐酸中除锈，几分钟后取出，并用蒸馏水洗净。
2．把铁制镀件与2～3 V的直流电源的负极相连，铜片与直流电源的正极相连(如图)。将两极平行浸入电镀液中，两极间距约5 cm,5～10 min后取出，观察镀件表面发生的变化。
【问题和讨论】
1．电镀前，如果将铜片与直流电源的负极相连，铁制镀件与直流电源的正极相连，通电后观察到的现象是什么？阴极和阳极发生的反应分别是什么？
答案 电镀前，如果将铜片与直流电源的负极相连，铁制镀件与直流电源的正极相连，通电后铁制镀件逐渐溶解，一段时间后，铜片表面有铁析出。阳极Fe－2e－===Fe2＋；阴极Cu2＋＋2e－===Cu，Fe2＋＋2e－===Fe。
2．查阅资料，了解工业生产中提高电镀质量的方法。
答案 (1)镀前对镀件进行处理，一般包括机械加工、酸洗、除油等。(2)电镀时需要注意电镀液的配方、电流的选择以及温度等的调节。(3)电镀后对镀件进行处理，如防变色处理等。
【例题】 钢铁很容易生锈而被腐蚀，每年因腐蚀而损失的钢铁占世界钢铁年产量的四分之一。请回答下列问题：
(1)下列装置____(填序号)可防止铁棒被腐蚀。
(2)在实际生产中，可在铁件的表面镀铜以防止铁被腐蚀，装置示意图如图。
①B电极的电极反应式是____________________________________。
②若电镀前A、B两金属片质量相同，电镀完成后将它们取出洗净、烘干、称量，二者质量差为10.24 g，则电镀时电路中通过的电子的物质的量为____ml。
③电镀结束后，CuSO4溶液的浓度____(填“变大”“变小”或“不变”)。
④下列物质的镀层破损后，铁不易被腐蚀的是____(填序号)。
A．镀铜铁 B．镀锌铁
C．镀锡铁
解析 (1)铁作原电池的正极或电解池的阴极时可防止被腐蚀。A为原电池，铁作负极，碳棒作正极，为铁的吸氧腐蚀；B为原电池，锌作负极被腐蚀，铁作正极被保护；C中水里溶解氧气，铁可发生腐蚀，D为电解池，铁与电源的负极相连，作阴极，被保护。(2)①在铁件上镀铜时，铜作阳极，与电源正极相连，铁件作阴极，与电源负极相连，B电极为阴极，阴极发生还原反应Cu2＋＋2e－===Cu。②A电极为阳极，发生氧化反应，阳极反应式Cu－2e－===Cu2＋，故阳极质量减小，阴极质量增加，二者质量差为10.24 g，则阴极增加的铜的质量为5.12 g，物质的量为0.08 ml，已知每生成1 ml铜转移2 ml电子，故电路中通过的电子的物质的量为0.16 ml。③阳极反应式为Cu－2e－===Cu2＋，阴极反应式为Cu2＋＋2e－===Cu，根据得失电子守恒可知，溶液中Cu2＋的浓度不变。④镀层破损后，铜和铁、锡和铁形成的原电池中铁均作负极，腐蚀加快，锌和铁形成的原电池中铁作正极被保护。
答案 (1)BD (2)①Cu2＋＋2e－===Cu ②0.16 ③不变
④B
【变式】 如图所示，甲是电解饱和食盐水，乙是铜的电解精炼，丙是电镀，回答下列问题：
(1)b极上的电极反应为________________，甲电池的总反应化学方程式是______________________。
(2)在粗铜的电解过程中，图中c电极的材料是____(填“粗铜板”或“纯铜板”)；在d电极上发生的电极反应为____________；若粗铜中还含有Au、Ag、Fe等杂质，则沉积在电解槽底部(阳极泥)的杂质是____，电解一段时间后，电解液中的金属离子有____。
(3)如果要在铁制品上镀镍(二价金属)，则e电极的材料是____(填“铁制品”或“镍块”，下同)，f电极的材料是____。
(4)若e电极的质量变化118 g，则a电极上产生的气体在标准状况下的体积为____。
解析 (1)甲是电解饱和食盐水，M为正极，则a为阳极发生氧化反应，b为阴极发生还原反应，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，电解饱和食盐水生成氢气、氯气和氢氧化钠，总反应化学方程式为2NaCl＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2NaOH＋Cl2↑＋H2↑。(2)用电解法进行粗铜提纯时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，该装置中M为原电池的正极，N为原电池的负极，所以c为电解池的阳极，d为电解池的阴极，电解时，以硫酸铜溶液为电解液，溶液中的Cu2＋在阴极上得到电子发生还原反应，即Cu2＋＋2e－===Cu；作阳极的粗铜中的铜以及比铜活泼的金属失去电子进入溶液，所以Fe发生Fe－2e－===Fe2＋反应，以Fe2＋的形式进入溶液中；比铜不活泼的金属Au、Ag不会失去电子，以单质的形成沉入电解槽形成“阳极泥”。(3)要在铁制品上镀镍(二价金属)，则铁作阴极与电源负极N相连即f极，镍作阳极与电源正极M相连即e极。(4)若e电极的质量变化为118 g，根据转移电子数相等，Ni～2e－～Cl2，则a电极上产生的气体在标准状况下的体积为eq \f(118 g,59 g/ml)×22.4 L/ml＝44.8 L。
答案 (1)2H＋＋2e－===H2↑ 2NaCl＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2NaOH＋Cl2↑＋H2↑ (2)粗铜板 Cu2＋＋2e－===Cu Au、Ag Cu2＋、Fe2＋ (3)镍块 铁制品 (4)44.8 L
实验活动5 制作简单的燃料电池
【实验目的】
1．理解燃料电池的工作原理。
2．设计和制作一个氢氧燃料电池。
【实验仪器】
U型管、石墨棒(石墨使用前应该经过烘干活化处理)、3～6 V的直流电源、鳄鱼夹、导线和开关、电流表(或发光二极管、音乐盒等)
【实验药品】
1 ml/L Na2SO4溶液、酚酞溶液
【实验步骤】
1．电解水。
在U形管中注入1 ml·L－1Na2SO4溶液，然后向其中滴入1～2滴酚酞溶液。在U形管的两边分别插入一根石墨棒，并用鳄鱼夹、导线连接电源。闭合K1，接通直流电源开始电解，现象为：两极石墨棒均产生气体，右侧石墨棒附近溶液变红。
2．制作一个氢氧燃料电池。
当上述电解过程进行1～2 min后，打开K1，断开直流电源。将两根石墨棒用导线分别与电流表(或发光二极管、音乐盒等)相连，闭合K2，现象为：电流表指针发生偏转。
【问题和讨论】
列表比较氢氧燃料电池的工作原理和电解水的原理。
【例题】 以乙烷燃料电池为电源进行电解的实验装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．燃料电池工作时，正极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
B．a极是铜、b极是铁时，硫酸铜溶液浓度减小
C．a、b两极若是石墨，在同温同压下a极产生的气体与电池中消耗的乙烷的体积之比为7∶2
D．a极是纯铜、b极是粗铜时，a极上有铜析出，b极逐渐溶解，两极质量变化相同
答案 B
解析 燃料电池中有质子交换膜，故电极反应中不能出现OH－，正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O，A项不符合题意；b是阳极，Fe－2e===Fe2＋，而a上Cu2＋＋2e－===Cu，故铜离子的浓度减小，B项符合题意；a极产生H2～2e－，2CO2～C2H6～14e－，则a极产生的气体与电池中消耗的乙烷体积之比为7∶1，C项不符合题意；粗铜参与反应的可能为其他金属，故质量变化不同，D项不符合题意。
【变式】 氢氧熔融碳酸盐燃料电池是一种高温电池(600～700 ℃)，具有效率高、噪声低、无污染等优点。氢氧熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。下列说法正确的是( )
A．电池工作时，熔融碳酸盐只起到导电的作用
B．负极反应式为H2－2e－＋COeq \\al(2－,3)===CO2＋H2O
C．电子流向：电极a→负载→电极b→熔融碳酸盐→电极a
D．电池工作时，外电路中通过0.2 ml电子，消耗3.2 g O2
答案 B
解析 分析可知电池工作时，熔融碳酸盐除起到导电的作用外，还能与负极产生的氢离子结合生成二氧化碳，二氧化碳在正极生成碳酸根离子循环使用，A项不符合题意；原电池工作时，H2在负极反应H2＋COeq \\al(2－,3)－2e－===H2O＋CO2，B项符合题意；电池工作时，电子从电极a→负载→电极b，电子不能通过熔融碳酸盐重新回到电极a，C项不符合题意；电极反应中电子守恒，正极的电极反应为O2＋2CO2＋4e－===2COeq \\al(2－,3)，电池工作时，外电路中流过0.2 ml电子，反应消耗0.05 ml O2，质量＝0.05 ml×32 g/ml＝1.6 g，D项不符合题意。
氢氧燃料电池
电解水
能量
化学能→电能
电能→化学能
装置
电极
反应式
负极：2H2－4e－===4H＋
正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O
总反应式：2H2＋O2===
2H2O
阳极：2H2O－4e－===O2↑＋
4H＋
阴极：4H＋＋4e－===2H2↑
总反应式：2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑
电子流向
负极→正极
负极→阴极，阳极→正极
离子流向
阳离子→正极，阴离子→负极
阳离子→阴极，阴离子→阳极
反应类型
自发的氧化还原反应
非自发的氧化还原反应