高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池示范课ppt课件

这是一份高中化学人教版 (2019)选择性必修1第二节 电解池示范课ppt课件，共60页。PPT课件主要包含了解饱和氯化钠溶液，和氯气，抗腐蚀，CuSO4，硫酸铜溶液，金属离子，活泼金属，NaCl熔融，Na+Cl2↑，MgCl2熔融等内容，欢迎下载使用。

一、氯碱工业1.概念用电_________________的方法来制取______________________,并以它们为原料生产一系列化工产品的工业,称为氯碱工业。
(1)阳极反应:_________________(_____反应)(2)阴极反应:____________________(_____反应)(3)总反应:①化学方程式:_______________________________②离子方程式:____________________________
2Cl--2e-====Cl2↑
2H2O+2e-====H2↑+2OH-
2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑
2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑
【巧判断】(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。(　　)提示:×。阳极可以用Pt等惰性电极,阴极可以用金属材料。
(2)氯碱工业中,可以使用阴离子交换膜。(　　)提示:×。氯碱工业用阳离子交换膜。
二、电镀1.概念:应用_____原理在某些金属表面镀上一薄层其他_____或合金的加工工艺。2.目的:使金属增强_______能力,增加美观度和表面硬度。3.实例(在铁件上镀铜)。
【巧判断】(1)在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液。(　　)提示:√。电镀铜时,铜作阳极,含铜离子的溶液作电解液。
(2)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌。(　　)提示:×。电镀锌可以用ZnCl2作电解质溶液。
三、电解精炼铜1.概念:粗铜中往往含有铁、锌、银、金等多种杂质,常用电解的方法进行精炼。电解池的构成是用_____作阳极,用_____作阴极,用___________作电解质溶液。
2.原理粗铜中比铜活泼的金属_______等,失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中);比铜不活泼的金属_______等,以金属单质的形式沉积在电解槽的底部(形成阳极泥);粗铜中的铜在纯铜上析出。
【巧判断】(1)电解精炼铜时,同一时间内阳极溶解的铜的质量等于阴极析出的铜的质量。(　　)提示:×。粗铜为阳极,在阳极,铜、锌、铁、镍均会失去电子而溶解,而阴极只是铜离子得到电子,所以同一时间内,阳极溶解的铜的质量小于阴极析出的铜的质量。
(2)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。(　　)提示:√。阳极泥主要含有Au、Ag等金属。
四、电冶金1.金属冶炼的本质:使矿石中的_________获得电子变成金属单质的过程。如____________。
Mn++ne-====M
2.电冶金:电解是最强有力的氧化还原手段,适用于一些_________单质的制取,如冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属。
2Na++2e-====2Na
Mg2++2e-====Mg
6O2--12e-====3O2↑
4Al3++12e-====4Al
【巧判断】(1)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。(　　)提示:×。电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)减小。
(2)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3。(　　)提示:×。电解冶炼镁不能用MgO,电解冶炼铝不能用AlCl3。
【想一想】工业上制取金属钠是电解食盐水还是电解熔融氯化钠?提示:电解食盐水得到的是NaOH而不是Na;故工业上制取金属钠是电解熔融NaCl。
　【情境思考】氧化铝薄膜是覆盖在铝表面的一层致密的三氧化二铝层,能够阻止铝的进一步氧化。用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。生产氧化铝薄膜时用什么材料作阳极?
提示:待加工铝质工件。利用电解氧化法在铝制品表面形成致密的Al2O3薄膜,即待加工铝质工件作阳极。
知识点一　电解原理的应用【重点释疑】1.氯碱工业(1)装置图及原理解释
当接通电源后,在电场的作用下,带负电的Cl-和OH-移向阳极,带正电的Na+和H+移向阴极,在这种条件下,电极上发生的反应分别为阳极:2Cl--2e-====Cl2↑　阴极:2H++2e-====H2↑
随着电解的不断进行,阴极区溶液的OH-浓度越来越大,并生成NaOH,电解饱和食盐水的总反应为2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(2)电解饱和食盐水时的两注意①电解饱和食盐水的过程中,H+在阴极上得电子而生成H2,因水电离产生的H+与OH-数目相等,消耗了H+后,使阴极区溶液中c(OH-)>c(H+),所以阴极区溶液呈碱性。
②在氯碱工业中,采用了离子交换膜,离子交换膜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-)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,又能避免Cl2和NaOH作用生成NaCl和NaClO而影响烧碱的质量。
2.电镀池与电解精炼池的区别与联系
　【特别提醒】电镀的特点是“一多、一少、一不变”:一多是指阴极上有镀层金属沉积,一少是指阳极上有镀层金属溶解,一不变是指电解质溶液的浓度不变。
3.电冶金(1)电解法用于冶炼较活泼的金属(如钠、钙、镁、铝等)。(2)电解法冶炼金属,不能电解其盐溶液,因为金属离子的放电能力小于氢离子的放电能力,而应电解其熔融态化合物。
(3)电解法冶炼金属镁时,选择氯化镁,而不是氧化镁,是因为氧化镁的熔点高,耗能大。(4)电解法冶炼金属铝时,选择氧化铝,而不是氯化铝,是因为氯化铝为共价化合物,熔融时不导电。
(5)电解法冶炼金属铝时,由于氧化铝熔点高,为了减少能耗,常加入冰晶石(Na3AlF6),降低氧化铝的熔化温度。
【易错提醒】电解原理及应用中常见的误区(1)当电解过程中被电解的是水和电解质时,电极反应式中出现的是H+或OH-放电,但在书写总反应式时要将反应物中的H+或OH-均换成水。
(2)铁作电解池的阳极时,铁并不是失去3个电子生成Fe3+,而是失去2个电子生成Fe2+。(3)误认为在金属活动性顺序表中排在氢前面的金属阳离子一定不能放电,如在镀件上镀锌,电解质溶液应是含Zn2+的浓溶液,在阴极Zn2+得电子生成Zn,而不是H+放电。(4)误认为粗铜精炼时,阴极增重与阳极减重相等。
(5)电解时的氧化产物或还原产物能与电解质溶液中的微粒发生反应时,应将该微粒写入电极反应式中。
　【思考·讨论】　(1)氯碱工业中阴极产物是什么?提示:H2、NaOH。阴极消耗H+,产生H2,同时生成NaOH。
(2)粗铜中含有锌、铁、镍、银金属杂质,在精炼铜的过程中,杂质金属为什么不在阴极析出?精炼铜的过程中溶液中Cu2+的浓度是否有变化?提示:因氧化性Cu2+大于Fe2+、Zn2+、Ni2+,故在阴极上Cu2+得到电子析出单质铜,电解精炼铜时,溶液中Cu2+的浓度减小。
(3)工业上冶炼镁为什么用MgCl2而不使用MgO?提示:MgO的熔点高,MgCl2的熔点低,若用MgO则消耗更多的能量。
【案例示范】【典例】(2020·枣庄高二检测)如图为阳离子交换膜法电解饱和食盐水原理示意图。下列说法正确的是(　　)
A.从E口逸出的气体是 Cl2B.每生成 22.4 L Cl2,同时产生2 ml NaOHC.从B口加入含少量NaOH的水溶液以增强导电性D.依次用Na2CO3、NaOH、BaCl2、盐酸等试剂除去粗盐水中Ca2+、Mg2+、Fe3+、 等离子
【思维建模】解答有关电解原理应用问题的思维流程如下:(1)看电池(所给装置是电解池还是电镀池),分电极(由电源的正极和负极确定);
(2)析溶液(电解质溶液中含有的离子),判流向(电子的流向、离子移动方向);(3)定微粒(确定两极上发生反应的微粒),写反应(电极反应式、总反应方程式)。
【解析】选C。右边是阴极区,发生2H++2e-====H2↑,所以从E口逸出的气体是H2,故A错误;每生成 22.4 L Cl2,没有指明温度和压强,故B错误;阴极生成OH-,且Na+向阴极移动,阴极区生成NaOH,为增强导电性,则从B口加入稀NaOH(增强导电性)的水溶液,故C正确;粗盐提纯所加试剂的顺序Na2CO3必须放在BaCl2的后面,故D错误。
　【母题追问】(1)为了保证产物纯净,阴极室B入口应加入什么?提示:阴极室发生2H++2e-====H2↑,在阴极生成NaOH,故往B入口加入NaOH稀溶液提高溶液的导电能力。
(2)电解时用盐酸控制阳极区溶液的pH为2～3,用化学平衡移动原理解释盐酸的作用。提示:氯气与水反应:Cl2+H2O HCl+HClO,增大盐酸浓度可以使平衡逆向移动,减少氯气在水中的溶解,有利于氯气逸出。
【规律方法】用惰性电极电解电解质溶液的规律
　【迁移·应用】　(2020·北京朝阳区高二检测)氯碱工业的原理示意图如图。下列说法正确的是(　　)A.M为负极B.通电使氯化钠发生电离C.出口c收集到的物质是氯气D.通电一段时间后,阴极区pH降低
【解析】选C。饱和食盐水从a口进入,在出口变为稀食盐水,则可以推出Cl-在左侧电极放电,则该电极为阳极,所以M为电源的正极,A错误;氯化钠在水中,本身在水的作用下发生电离,不需要通电,B错误;Cl-在左侧放电,所以出口c收集的物质是Cl2,C正确;右侧电极为阴极,该处产生OH-,则通电一段时间后,OH-浓度增大,所以pH增大,D错误。
【补偿训练】1.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。下列说法正确的是(　　)A.氯碱工业中,X电极上反应式是4OH--4e-====2H2O+O2↑B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变C.在铁片上镀铜时,Y是纯铜D.制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁
【解析】选D。A项,X电极反应式应为2Cl--2e-====Cl2↑;B项,电解精炼铜时,Cu2+浓度减小;C项,在铁片上镀铜时,Y是铁片。
2.(2020·长沙高二检测)下列关于电解精炼铜的说法中不正确的是(　　)A.电解质溶液中要含有Cu2+B.粗铜作阳极,精铜作阴极C.电解时,阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应D.粗铜中所含Zn、Fe、Ni等杂质电解后以单质形式沉积于阳极泥中
【解析】选D。电解法精炼铜时,粗铜为阳极,精铜为阴极,电解质溶液中要含有Cu2+,故A、B正确;电解时,阳极发生失去电子的氧化反应,阴极发生得到电子的还原反应,故C正确;阳极上金属失电子变成离子进入溶液,比金属铜活泼的金属锌、铁、镍会先于金属铜失电子,比金属铜活泼性差的Pt、Ag等固体会沉积下来形成阳极泥,故D错误。
【素养提升】　电解是利用外电路电源提供电能的一种强有力的氧化还原手段,可以使不能发生的氧化还原反应强制发生。因此电解原理有着广泛的应用,可以应用电解手段制备、净化、提纯某些物质。
(1)CO2气体是引起温室效应和气候变暖的主要物质。《Jurnal f Energy Chemistry》报道我国科学家设计CO2熔盐捕获与转化装置如图。
判断a、d电极的名称,并写出电极反应式。
提示:根据图示可以得出d电极上发生 转化为C的反应,根据化合价可以判断发生的是得电子的还原反应,因此电极d为阴极,电极反应式为 +4e-====C+3O2-;则电极a为阳极,根据图示可以判断电极反应式为2 -4e-====4CO2+O2。
(2)三氧化二镍(Ni2O3)可用于制造高能电池元件。电解法制备过程如下:用NaOH溶液将NiCl2溶液的pH调至7.5,加入适量硫酸钠固体后进行电解。电解过程中产生的Cl2在弱碱性条件下生成ClO-,把二价镍(可简单写成Ni2+)氧化为Ni3+,再将Ni3+经一系列反应后转化为Ni2O3。电解装置如图所示。
分析加入适量硫酸钠固体的作用。
提示:硫酸钠是一种强电解质,向其中加入硫酸钠,能使溶液中的离子浓度增大,从而增强溶液的导电能力。
知识点二　电解的有关计算【重点释疑】1.三个计算原则(1)阳极失去的电子数等于阴极得到的电子数。(2)串联电池中各电极上转移的电子数目相等。(3)电源输出的电子总数和电解池中各电极上转移的电子数目相等。
2.四种常见计算类型(1)两极产物的定量计算。(2)溶液pH的计算{pH=-lgc(H+)}。(3)相对原子质量的计算和阿伏加德罗常数的值的测定。(4)根据转移电子的量求产物的量或根据产物的量求转移电子的量。
如以通过4 ml e-为桥梁可构建如下关系式: (式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
【方法规律】多池串联装置中(无外接直流电源)电池类型的判断方法(1)直接判断:非常直观明显的装置,如燃料电池、铅蓄电池等在电路中,则其他装置为电解池。如图:A为原电池,B为电解池。
(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断:
原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极和一个碳棒作电极;而电解池则一般都是两个惰性电极,如两个铂电极或两个碳棒电极。原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应,电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图:B为原电池,A为电解池。
(3)根据电极反应现象判断
在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极,并由此判断电池类型。如图,若C极溶解,D极上析出Cu,B极附近溶液变红,A极上放出黄绿色气体,则可知乙是原电池,D是正极,C是负极,甲是电解池,A是阳极,B是阴极。
　【思考·讨论】　(1)已知一个电子的电量是1.602×10-19 C,用装置电解饱和食盐水,当电路中通过1.929×105 C的电量时,生成NaOH的质量是多少?
提示:80 g。一个电子的电量是1.602×10-19 C,当电路中通过1.929×105 C的电量时,电子的个数为 =1.204×1024,电子的物质的量为 =2 ml,根据转移电子和氢氧化钠的关系式2NaOH～2e-得NaOH的质量为 ×2×40 g·ml-1=80 g。
(2)把两个惰性电极插入500 mL AgNO3溶液中,通电电解。当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解时阴极没有氢气析出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略),电极上应析出银的质量是多少?
提示:54 mg。由得失电子守恒知,e-～OH-～H+～Ag,所以n(Ag)=n(H+)。AgNO3溶液电解后产生酸,产生的H+的物质的量可由pH差来计算:pH从6.0变为3.0,即c(H+)≈10-3 ml·L-1,所以n(Ag)=n(H+)=10-3 ml·L-1×0.5 L=5×10-4 ml,m(Ag)=n(Ag)×M=5×10-4 ml×108 g·ml-1=0.054 g=54 mg。
【案例示范】【典例】(2020·泰安高二检测)用惰性电极电解CuCl2和CuSO4的混合溶液(物质的量浓度均为0.1 ml·L-1)500 mL,当阴极析出4.8 g固体时,在阳极可得到标准状况下的气体体积为(　　) LB.1.4 L L L
【思维建模】解答有关混合液电解计算问题的思维流程如下:
【解析】选B。CuCl2和CuSO4的混合溶液,物质的量浓度均为0.1 ml·L-1,体积为500 mL,即溶液中的n(Cu2+)=0.1 ml,完全得电子时,质量为6.4 g>4.8 g,则阴极电极反应式为Cu2++2e-====Cu,生成4.8 g Cu时,转移0.15 ml电子,阳极:2Cl--2e-====Cl2↑,可生成n(Cl2)=0.05 ml,即失去0.1 ml电子,则0.05 ml电子发生2H2O-4e-====4H++ O2↑,生成0.012 5 ml氧气,即0.28 L,生成气体合计1.4 L。
　【母题追问】(1)本题中电解质溶液电解时,阴极、阳极上发生的电极反应式是什么?提示:阳极:2Cl--2e-====Cl2↑、2H2O-4e-====4H++ O2↑;阴极:Cu2++2e-====Cu。
(2)本题中电解质溶液电解时,溶液中发生怎样的总反应?提示:CuCl2 Cu+Cl2↑、2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2↑。
(3)本题中电解质溶液电解时,阴阳电极上的产物的物质的量存在怎样的关系?提示:2n(Cu)=2n(Cl2)+4n(O2)。
　【迁移·应用】　按图甲装置进行实验,若图乙中横坐标x表示通过电极的电子的物质的量。下列叙述不正确的是(　　)
A.E表示反应消耗H2O的物质的量B.E表示反应生成H2SO4的物质的量C.F表示反应生成Cu的物质的量D.F表示反应生成O2的物质的量
【解析】选C。该装置为电解池,C为阳极,电极反应为4OH--4e-====O2↑+2H2O,Cu为阴极,电极反应为Cu2++2e-====Cu,总反应为2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4,由乙图可知,转移4 ml电子生成2 ml E、1 ml F。A.由总反应可知,Cu与水的物质的量相同,则E表示反应消耗水的物质的量,故A正确;B.若转移4 ml电子,则消耗
2 ml硫酸,则E表示生成硫酸的物质的量,故B正确;C.由电子与物质的物质的量的关系可知F不能表示反应生成铜的物质的量,故C错误;D.由电子与物质的物质的量的关系可知F表示反应生成氧气的物质的量,故D正确。
【补偿训练】　　1.将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064 g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为(　　)A.4×10-3 ml·L-1　　　B.2×10-3 ml·L-1C.1×10-3 ml·L-1D.1×10-7 ml·L-1
【解析】选A。根据2CuSO4+2H2O 2Cu+2H2SO4+O2↑,得:n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2× =0.002 ml,c(H+)= =4×10-3 ml·L-1。
2.(2020·太原高二检测)常温下,用铂作电极电解 1 L 1 ml·L-1的氯化钠溶液,当收集到1.12 L氯气(标准状况)时,溶液的pH约为(不考虑气体溶解,忽略溶液体积变化)(　　)A.1D.14
【解析】选C。惰性电极电解氯化钠溶液,阳极反应:2Cl--2e-====Cl2↑,当阳极产生1.12 L即0.05 ml氯气,根据电解方程式:2NaCl+2H2O H2↑+Cl2↑+2NaOH,产生0.05 ml氯气生成氢氧化钠的物质的量是0.1 ml,溶液中OH-的物质的量浓度是 =0.1 ml·L-1,c(H+)= ml·L-1=10-13 ml·L-1,溶液的 pH=-lg10-13=13。
3.500 mL NaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(Na+)为0.2 ml·L-1,用Pt作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24 L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法正确的是(　　)
A.原混合溶液中c( )=0.6 ml·L-1B.假设上述电解进行了5 min,则通过的电量为0.2×NA×1.60×10-19 CC.电解得到的Cu的质量为12.8 gD.电解后c(H+)=0.2 ml·L-1
【解析】选A。Pt作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24 L气体(标准状况),n(O2)=n(H2)= =0.1 ml,阳极发生 4OH-　-　4e- ====O2↑+2H2O, 0.4 ml0.1 ml
阴极发生反应:Cu2+　+　2e-====Cu, 0.1 ml0.2 ml0.1 ml2H+　+　2e-====H2↑, 0.2 ml0.2 ml0.1 ml
A.c(Cu2+)= =0.2 ml·L-1,由电荷守恒可知,原混合溶液中c( )为0.2 ml·L-1+0.2 ml·L-1×2=0.6 ml·L-1,故A正确;B.假设上述电解进行了5 min,则通过的电量为0.4×5 ×NA×1.60×10-19C,选项B错误;C、由选项A分析可知,电解得到的Cu的质量为0.1 ml×64 g·ml-1=6.4 g,选项C错误;D、电解后剩
余H+的物质的量是0.4 ml-0.2 ml=0.2 ml,则c(H+)= =0.4 ml·L-1,D错误。
【素养提升】判断一种电池的优劣或是否适合某种需要,主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少(比能量,符号是A·h·kg-1,A·h·L-1),或者输出功率的大小(比功率,符号是W·kg-1,W·L-1)以及电池的储存时间的长短,除特殊情况外,质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池,更适合使用者的需要。
二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg-1)。(1)若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应式为_________________。 
(2)维持电流强度为0.5A,电池工作5分钟,理论上消耗二甲醚____________g。(已知F=965 00 C·ml-1)。 (3)该电池的理论输出电压为1.20 V,能量密度E=____________(列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量,1 kW·h=3.6×106 J)。 
【解析】(1)二甲醚直接燃料电池的负极为二甲醚发生氧化反应转化为CO2,电极反应式为CH3OCH3+3H2O-12e- ====2CO2+12H+。
(2)电池工作5分钟,通过的电量为q=It=0.5 A×5×60 s=150 C,则电子的物质的量为 根据CH3OCH3+3H2O-12e-====2CO2+12H+,则理论上消耗的二甲醚质量为 ×46 g·ml-1≈0.006 g。
(3)二甲醚质量为1 kg时,该电池输出的电能为1.20 V× ×12×96 500 C·ml-1÷(3.6×106 J·kW-1·h-1)=8.39 kW·h,能量密度E=8.39 kW·h·kg-1。
答案:(1)CH3OCH3+3H2O-12e- 2CO2+12H+(2)0.006(3)