4.2 电解池 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第2讲 电解池与电解原理 第四章 化学反应与电能 选择性必修一 化学反应原理 2.电解池：借助电流而发生反应及装置 将电能转化为化学能 1.原电池：产生电流的化学反应及装置 将化学能转化为电能 1799年意大利物理学家伏打发明了伏打电池，次年，英国化学家用伏打电池进行电解水的试验，奇迹发生了。经鉴定，水在通电的情况下生成了氢气和氧气。 伏打(1745-1827） 伏打电池 若将水换成CuCl2溶液，预计会观察到什么现象？ 2 一、电解的原理 【实验4-2：电解氯化铜溶液】 1、实验现象： （1）阴极（负极相连）石墨棒上逐渐有红色的固体析出； （2）阳极（正极相连）石墨棒上有气体产生，使湿润的碘化钾淀粉试纸先变蓝后褪色。 2、实验结论：电解CuCl2 溶液生成了Cu和Cl2 总反应式：CuCl2 ====== Cu + Cl2↑ 电解 3、实验分析： 阳极： 阴极： 2Cl－ － 2e－ = Cl2↑（氧化反应） Cu2+ ＋ 2e－ = Cu （还原反应） 放电：阴、阳离子到达电极，就失去或获得电子，发生氧化还原反应的过程。 一、电解原理 1、电解 (1)定义：使电流通过电解质溶液(或熔融电解质）而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。 (2)电离与电解的比较 电离 电解 条件 电解质溶于水或受热融化状态 电解质电离后，再通直流电 过程 电解质电离成为自由移动的离子 阴阳离子定向移动，在两极上放电 举例 CuCl2 = Cu2＋＋2Cl－ CuCl2 Cu＋Cl2↑ 特点 只产生自由移动的离子 发生氧化还原反应，形成新物质 联系 电解必须建立在电离的基础上 （2）电解是最强的氧化还原反应手段，是不可逆的。 4 二、电解池 2、电解池 (1)定义：借助于外界电流引起________________的装置，也就是把___________转变为___________的装置，叫做电解池或电解槽。 氧化还原反应 电能 化学能 (2)构成电解池(电解槽)的条件 ①外加直流电源 ②有两个电极： ③电解质溶液或熔融的电解质 ④形成闭合回路 阴极 阳极 3.电极名称 电化学上规定：发生氧化反应的电极叫阳极（anode），发生还原反应的电极叫作阴极（cathode）。 注意： （1）电解池的阴、阳极完全由外加直流电源的负、正极确定，与电极材料本身的性质无关。 （2）电极的分类：在电解时，根据电极本身是否参与氧化还原反应，可把电极分为惰性电极和活性电极两类: ① 惰性电极(C、Pt、Au)：只起导电作用，不参与 反应 ② 活性电极(除Pt、Au外的其余金属) (3)电极材料 还原反应 氧化反应 阴极：与电源负极相连的电极 阳极：与电源正极相连的电极 （阴得还） （阳失氧） 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 (4)电解池中电流、电子、离子的移动方向 e- 溶液中离子定向移动 负极 阴极 阳极 正极 e- CuCl2溶液 Al3+~ K+水溶液中不放电，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。 【总结】上述顺序基本上与金属活动顺序一致，即越活泼的金属，其阳离子越难结合电子，但Fe3+氧化性较强，排在Cu2+之前。 （5）电解质离子放电顺序（阴阳极为惰性电极） ① 阴极：溶液中的阳离子得电子，发生还原反应。 Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H2O(H+)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+ 得到电子，由易到难 这4种金属离子浓度较大时，先于H水+放电。 Fe3+得电子能力比Cu2+强，但第一阶段Fe3+只被还原为Fe2+ S2->I->Fe2+>Br->Cl->OH->含氧酸根（SO42-、NO3-、CO32-）>F- 用金属活性电极：金属失电子。 用惰性电极：阴离子放电顺序： ② 阳极：溶液中的阴离子失电子，发生氧化反应。 看电极材料是否参与反应： 含氧酸根、 F- 在水溶液中不放电。 （5）电解质离子放电顺序（阴阳极为惰性电极） （金属）活性电极>S2->I->Fe2+>Br->Cl->OH->含氧酸根（SO42-、NO3-、CO32-）>F- 失去电子，由易到难 （包括水的电离，并分成 阳离子组和阴离子组） ②明确溶液中存在哪些离子 ③判断阴阳离子的放电顺序 ④根据正阳氧，负阴还完成电极反应式 ①判断电极材料 （注意得失 电子守恒） ⑤由阴阳两电极反应式，合并得总反应式 （弱电解质的须保持分子形式） 【注意】1、标明条件：通电或电解。 2、若电解的H+ 或OH- 来自于H2O，在方程式中要以H2O形式存在，不能书写H+或OH-作为反应物。 电荷守恒、原子守恒 得失电子守恒 二、电解反应方程式书写的方法分析 无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐(如HCl、CuCl2等)溶液的电解 阴极：2H+ + 2e－ =H2↑ 阳极：2Cl－ －2e－ =Cl2↑ 总反应：2HCl ====Cl2↑+H2↑ 通电 1、电解电解质型： 实质：电解质本身被电解 增大 通入HCl 溶液pH变化： 溶液复原方法： 电解盐酸： 电解规律 11 实例 电极反应 浓度 pH值 复原 CuSO4 阳极 阴极 氧 气 铜 阳极: 2H2O- 4e- = O2 ↑+4H+ 阴极：Cu2++ 2e- = Cu 减小 减小 加CuO CuSO4溶液 2CuSO4+ 2H2O 2Cu +O2 ↑+ 2H2SO4 电解 2、放氧生酸型： 不活泼金属的含氧酸盐 (如CuSO4、AgNO3等)溶液的电解。 12 阳极 阴极 氯气 氢 气 NaCl溶液 实例 电极反应 浓度 pH 复原 NaCl           阳极: 2Cl- - 2e- = Cl 2↑ 阴极: 2H2O + 2e- =H2 ↑+2OH- 2NaCl+2H2O 2NaOH+H2 ↑ + Cl2 ↑ 电解 减小 增大 加HCl 3、放氢生碱型： 活泼金属的无氧酸盐(如NaCl、K2S等)溶液的电解 13 阳极 阴极 氧气 氢 气 Na2SO4溶液 实例 电极反应 浓度 pH 复原 Na2SO4         阳极: 2H2O- 4e- = O2 ↑+4H+ 阴极: 2H2O + 2e- =H2 ↑+2OH- 变大 不变 加H2O 2H2O 2H2 ↑ + O2 ↑ 电解 4、电解水型： 含氧酸、强碱、活泼金属的含氧酸盐(如H2SO4、NaOH、Na2SO4 等)的电解。 14 实例 电极反应 浓度 pH 复原 NaOH 阴极:2H2O + 2e- =H2 ↑+2OH-阳极:4OH-－4e-=O2↑+2H2O 变大 变大 加 H2O 2H2O 2H2 ↑ + O2 ↑ 电解 阳极：S2- > I- > Br- > Cl- > OH- > 含氧酸根 > F- Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅰ与Ⅲ区：电解本身型 如CuCl2 、HCl Ⅰ与Ⅳ区：放氢生碱型 如NaCl Ⅱ与Ⅲ区：放氧生酸型 如CuSO4、AgNO3 Ⅱ与Ⅳ区：电解水型 如Na2SO4、H2SO4 、NaOH 阴极：Ag+>Fe3+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+>（H+）>Al3+>Mg2+>Na+ 16 三、电解原理的应用 1、氯碱工业（电解饱和食盐水以制造烧碱、氯气和氢气的工业） 阳极： 2Cl - －2e- == Cl2↑ 阴极： 总反应： 2NaCl+2H2O 2NaOH +Cl2↑+H2 ↑ （1）原理：食盐水中存在的离子： Na+ 、Cl- 、H+ 、OH- 离子放电顺序： 阳离子　 H+ ＞ Na+ 阴离子　 Cl- ＞ OH- 电极反应： H+ Na+ Cl- OH- 阴极 阳极 　 氧化反应 还原反应 2H2O+ 2e- = H2↑+2OH- 金属钛网 碳钢网 阴极室 阳极室 Na+ H+ Cl- H2 Cl2 18 工业生产：离子交换膜法电解饱和食盐水 资料卡片：离子交换膜（简称离子膜）是一类高分子膜，它能选择性地使物质通过。例如，阳离子能通过阳离子交换膜，而阴离子不能通过。质子交换膜只能让H+通过等。 增强水的导电性 阳 应用：氯碱工业产品及其应用（教材106图4-11） 电解饱和食盐水 H2 NaOH 湿氯气 湿氢气 液碱 Cl2 金属冶炼 有机合成 HCl 盐酸 含氯漂白剂 有机合成 氯化物合成 农药 有机合成、造纸 玻璃、肥皂 纺织、印染 2、电解原理的应用--电镀 1. 定义： 利用电解原理在某些金属的表面镀上一薄层其它金属或是合金的过程。 2. 目的： 4. 电镀的特点： 3. 电镀材料的选择： 阴极——镀件 电镀液——含有镀层金属离子的溶液 阳极——镀层金属 使金属增强抗腐蚀的能力，增加美观和表面硬度。 1）阳极本身参加电极反应 2）电解质溶液的浓度保持不变 3、粗铜的电解精炼 + 纯铜 粗铜 － CuSO4溶液 问:电解完后,CuSO4溶液的浓度有何变化？ 阳极： Zn-2e- = Zn2+ Fe -2e- = Fe2+ Ni -2e- = Ni2+ Cu-2e- = Cu2+ Zn Fe Ni CuAg Au 阴极: Cu2+ + 2e- = Cu 阳极泥 阳极泥: 相对不活泼的金属以单质的形式沉积在电解槽底,形成阳极泥 21 电解精炼铜 电解精炼铜原理： ①粗铜的溶解与纯铜的生成： 阳极（粗铜）：Cu －2e- = Cu2+ 阴极（纯铜）： Cu2+ + 2e- = Cu ②比铜活泼的金属：Zn、Fe、Ni只溶解，不析出； ③比铜不活泼的金属：Au、Pt不溶解，而以单质沉积形成阳极泥； ④电解质溶液中CuSO4的浓度变小。 制取金属钠 电解熔融状态的氯化钠。 阳极： 2Cl - －2e- == Cl2↑ 阴极： 2Na+ + 2e- == 2Na 总反应： 2NaCl(熔融) 2Na + Cl2 ↑ 4、电冶金 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的方法。对于冶炼像Na、Ca、Mg、Al这样活泼的金属，电解法几乎是唯一可行的工业方法。 制取金属铝 电解熔融状态的氧化铝。 阳极： 6O 2- －12e- == 3O2↑ 阴极： 4Al 3+ + 12e- == 4Al 总反应： 2Al2O3(熔融) 4Al + 3O2 ↑ 冰晶石 助熔剂：冰晶石（Na3AlF6 六氟合铝酸钠） 阳极材料(碳)和熔融氧化铝需要定期补充 思考:工业上为什么用电解熔融氧化铝的方法冶炼铝而不用AlCl3? AlCl3为分子晶体，在熔融状态下不电离，不导电，不能被电解。 例1 ： 铂电极电解1LCu(NO3)2和KNO3混合溶液,通电一段时间,两极均产生11.2L(标况)气体.求电解后溶液的pH,并确定析出铜的物质的量. 解析：阳极 4OH--4e-=2H2O+O2↑ 阴极 Cu2++2e- =Cu 2H++2e- =H2↑ 阳极转移电子的物质的量为: 0.5×4 = 2mol,消耗OH- 2mol,即产生H+ 2mol. 阴极生成0.5molH2,消耗H+ 1mol;所以溶液中C(H+)=1mol/L pH=0 生成H2转移的电子:0.5 ×2=1mol,故还有1mole- 用于还原Cu2+,可析出铜为0.5mol. 四、电解计算——电子守恒法 26 O2～2Cu～4Ag～4H＋～2H2～2Cl2～4OH－ 计算关系式： 例2 ： 用石墨电极电解100mL H2SO4与CuSO4的混合液，通电一段时间后，两极均收集到2.24L（标况）气体，则原混合液中Cu2+的物质的量浓度为（ ） A.1mol/L B.2mol/L C.3mol/L D.4mol/L A 阳极O2为0.1mol，电子为0.4mol 则H2为0.1mol，所以Cu为0.1mol，浓度为A 27 类型一　电解与物质制备 1.(2023·浙江1月选考，11)在熔融盐体系中，通过电解TiO2和SiO2获得电池材料(TiSi)，电解装置如图，下列说法正确的是 A.石墨电极为阴极，发生氧化反应 B.电极A的电极反应：8H＋＋TiO2＋SiO2＋8e－=== 　TiSi＋4H2O C.该体系中，石墨优先于Cl－参与反应 D.电解时，阳离子向石墨电极移动 √ 必备知识 整合 由图可知，石墨优先于Cl－参与反应，在外加电源下石墨电极上C转化为CO，失电子发生氧化反应，为阳极，与电源正极相连，则电极A作阴极，TiO2和SiO2得到电子产生电池材料(TiSi)，电极反应为TiO2＋SiO2＋8e－===TiSi＋4O2－。 必备知识 整合 4.我国科学家以石墨烯壳层封装钴镍纳米粒子的“铠甲”催化剂作电极，实现了合成气中H2S杂质的高效去除，其工作原理如图所示。下列说法错误的是 A.x为电源负极，阴极区溶液的pH增大 B.为同时实现氢气和硫粉的分离与回收，隔膜为 　阳离子交换膜 C.阳极的电极反应式为H2S－2e－===S↓＋2H＋ D.通电一段时间后，阴极区的溶液可以补充到阳 　极区，实现电解液的再生 √ 类型二　电解与分离、提纯 必备知识 整合 据图可知与电源y连接的电极上H2S发生氧化反应转化为S，所以y为电源正极，x为电源负极，阴极发生还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，所以阴极区溶液的pH增大，A正确； 通电一段时间后，阴极区得到氢氧化钠溶液，阳极区得到NaHCO3，NaHCO3溶液与NaOH溶液反应生成Na2CO3，所以将阴极区溶液补充到阳极区可实现电解液的再生，D正确。 必备知识 整合 6.(2021·辽宁，13)利用　　　　　　　(Q)与　　　　　　　　(QH2)电解转化法从烟 气中分离CO2的原理如图。已知气体可选择性通过膜电极，溶液不能通过。下列说法错误的是 A.a为电源负极 B.溶液中Q的物质的量保持不变 C.CO2在M极被还原 D.分离出的CO2从出口2排出 √ 类型三　电解与“三废”治理 必备知识 整合 由题干信息可知，M极发生的是由 　　　　　　(Q)转化为　　 (QH2)的还原反应，故M极为阴极，电极反应式为　　　　　 ＋2H2O＋2e－=== 　　　　 　　　＋2OH－，故与M极相连的a电极为负极，N极为阳极，电极反 应式为　　　　 　　　－2e－=== 　　　　　　＋2H＋，b极为电源正极， 据此分析解题。 必备知识 整合 阳极发生氧化反应，电极反应式为H2S＋2CO－2e－===S↓＋2HCO，C错误； $$