4.3 电解池 第2课时（教学课件）化学沪科版2020选择性必修1

第四章 化学反应与电能 第三节 电解池 课时2 电解原理的应用 沪教版 2020选择性必修1 电解生产化工产品 1 电镀 2 电冶金 3 知识导航 2.理解电冶金的原理，掌握粗铜电解精炼的方法、装置及电极反应，了解电冶金在金属冶炼中的应用。 3.掌握电镀的定义、目的、构成及原理，能够分析电镀过程中的电极反应和溶液变化。 1.掌握电解饱和食盐水的原理、产物检验方法及总反应，理解离子交换膜在电解饱和食盐水装置中的作用。 4.对比电镀与电解精炼的异同，理解电解质溶液成分及浓度变化的原因，并掌握恢复方法。 明·学习目标 电镀填孔 电解铝工业废弃物处理 电化学发光分析仪 电化学储能 电化学是有关电与化学变化之间内在联系的一个化学分支学科，主要涉及相界面(固—液，液—液，固—固，气—固，气—液—固，大多数情况为电极—溶液界面)电子转移的研究。电和化学反应之间的相互作用可通过电池来完成，因此电化学往往被称为“电池的科学”。 引·新课导入 电化学 合成 电化学 量子 电化学 半导体 电化学 有机导体 电化学 光谱 电化学 生物 电化学 如今电化学已形成了多个分支，在化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、金属腐蚀与防护、环境科学等领域获得了广泛的应用，内容包括材料保护、物质分离、化学分析、工业生产和能源储存等。当前世界上重点关注的研究课题，如能源、材料、环境保护、生命科学等都直接或间接地与电化学有关。 引·新课导入 01 电解生产化工产品 思考：请依据电解的基本原理，预测电解饱和食盐水的产物，并设计实验检验。 探·知识奥秘 7 NaCl Na+ + 2Cl- H2O H+ OH- + 理论分析 通电时， Na+和Cl-在溶液中改作定向运动 通电前， Na+和Cl-在溶液中作自由运动 阴极 阳极 e- e- 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 8 探·知识奥秘 9 在上述反应中，由于H+在阴极上得到电子而生成H2，破坏了附近水的电离平衡，促进了水的继续电离(H2O H+ + OH-，右移)，使阴极区溶液中OH-的浓度增大而呈碱性。 思考：阴极区域为什么变红? 探·知识奥秘 10 对比上述两组实验作用的阴极电极材料，思考：铁作为阴极的电极材料，能起到什么作用?阳极能否用铁作为电极材料? 阴极 阳极 石墨 石墨 阴极 阳极 铁钉 石墨 溶液中微粒在阴极得电子，发生还原反应，电极材料给传导过来的电子的提供存储的场所，本身不参与反应。阴极用金属材料，目的在于增强电解池的导电性能。 电解CuCl2溶液 电解饱和NaCl溶液 探·知识奥秘 11 阳极 阴极 离子 分析电 极反应 产物检 验方法 总反应 Cl-、OH- 2e- 2Cl- Cl2↑ － Na+ 、H+ 2e- 2H+ ＋ H2↑ 2e- [ 2H2O H2↑ ＋2OH-] ＋ 点燃法检验H2 酚酞溶液检验碱性 2NaCl＋ 2H2O 电解 H2↑＋2NaOH＋Cl2↑ 湿润淀粉KI试纸 检验Cl2 实验结论 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 2NaCl＋ 2H2O 电解 H2↑ ＋2NaOH＋Cl2↑ 阴极区域 阳极 区域 原因一：Cl2 与 NaOH 反应 原因二：H2 与 Cl2 混合易爆炸 H2 ＋ Cl2 2HCl 一定条件 Cl2 ＋ 2OH- ClO- ＋ Cl- ＋ H2O 不能，原因如下： 思考：能否用该电解池制备Cl2、H2 和NaOH? 探·知识奥秘 13 思考：如何怎样改进上述装置呢? 若能控制溶液中离子的移动，即可解决上述问题。 探·知识奥秘 14 离子交换膜 离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成的。 含 义 作 用 能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。 能选择性地通过离子，起到平衡电荷，形成闭合回路的作用。 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 15 阳离子交换膜：只允许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过。 阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过。 阳离子交换膜 阴离子交换膜 质子交 换膜 H+ H+ 质子交换膜：只允许质子(H+)和水分子通过。 离子交换膜的分类和应用 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 16 双极膜：亦称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H+和OH-并分别通过阴膜和阳膜，作为H+和OH-离子源。 H+ OH- H2O H2O 离子交换膜的分类和应用 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 Na+ H+ Cl- H2 Cl2 NaOH 溶液 淡盐水 H2O(含少量NaOH) 精制饱和NaCl溶液 OH- Na+ 阳离子 交换膜 Na+ H+ OH- Cl- 阴极 阳极 e- e- 装置改进 电解生产化工产品 电解饱和食盐水(氯碱工业) 探·知识奥秘 18 思考：将饱和氯化钠溶液换成熔融状态下的氯化钠，电极反应如何? Na+ Cl- Na+ Cl- 熔融状态下的氯化钠 阳极 阴极 总反应 2Na+ ＋ 2e-＝ 2Na 2Cl- －2e-＝ Cl2 2NaCl(熔融) 2Na＋Cl2↑ 通直 流电 工业上制备金属钠 e- e- 探·知识奥秘 02 电镀 生活中为了使金属增强抗腐蚀能力以及增加表面硬度和美观，通常在这些金属表面镀上一薄层在空气或溶液中不易发生变化的金属(如铬、镍、银)和合金(如黄铜)。 这是什么原理呢? 探·知识奥秘 21 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方法。主要目的是增强金属抗腐蚀能力，增加美观或表面硬度。镀层金属通常是铬、镍、银、黄铜等。 标价900 00 镀银水壶 镀金手表 标价1 000 000 镀金金条 标价5 000 000 电镀 定义 探·知识奥秘 22 以上是通过电镀完成的，表面为贵金属，内部则是价格低廉的一些金属(也就是假货)，那么，到底什么是电镀呢? 探·知识奥秘 23 电镀时，通常把待镀的金属制品一端作阴极，把镀层金属一端作阳极，用含有镀层金属离子的溶液作电镀液。在直流电的作用下，镀件表面覆盖上一层均匀、光洁而致密的镀层。 待镀金属(镀件) 镀层金属 理论分析 含镀层金属阳离子的电解质溶液 电镀液 电镀 粗铜电解精炼得精铜 探·知识奥秘 24 电镀金已有两百多年的历史。金镀层具有金黄色外观，具有良好的化学稳定性，使得电镀金镀层既可以作为装饰性镀层，又可作为功能性、防护性镀层。 出现了脉冲镀金和镭射镀金 电子工业发展，金价暴涨，大都采用镀薄金 英国人发明的氰化物镀金 1838年 20世纪40年代 出现了刷镀金(即选择性镀金)以及无氰镀金尤其是以亚硫酸盐镀金应用最广 20世纪60年代 20世纪80年代 电镀金发展历史 探·知识奥秘 25 电镀锌原理 电镀 案例分析 根据电镀锌的简易实验装置图，将表面清洁处理过的待镀铜钥匙作为阴极，锌片作为阳极，以0.3 mol · L-1 硫酸锌溶液 作为电镀液，直流电压 为 1 ～ 2 V。通直流后，观察实验现象。 现象记录： 实验结论： 阴极铜钥匙表面析出一层光亮的白色物质 阳极锌片不断溶解 (Zn - 2e-＝Zn2+) (Zn2+＋2e-＝Zn) 阳极参与电极反应，电镀过程中相关离子的浓度、溶液pH等保持不变。 探·知识奥秘 镀层金属(金) KAu(CN)2溶液 阳极的电极材料是金，本身非常难失去电子，在溶液中的氰根离子的帮助下通过电解失去电子，同时溶液中的氢氧根也可以失去电子，变成水和氧气。 4OH－4e- ＝ 2H2O+O2↑ ＝[Au(CN)2]- Au＋2CN-－e- 待镀金属(镀件) 电镀金原理(含氰法) 电极 反应式 电镀 案例分析 探·知识奥秘 27 镀层金属(金) KAu(CN)2溶液 待镀金属(镀件) 电极 反应式 金离子和氰根离子一起形成的更复杂的离子迁移到阴极得到电子，又析出金单质和氰根离子，水分子也可以得到电子，变成氢气和氢氧根。 2H2O＋2e-＝H2↑＋2OH- [Au(CN)2]- ＋e- ＝Au＋2CN- 电镀金原理(含氰法) 电镀 案例分析 探·知识奥秘 28 如何改进呢? 氰化物镀金工艺具有优良的镀液和镀层综合性能，至今仍是工业上广泛应用的镀金体系。氰化物体系具有高稳定性，CN-能够与Au+配位形成Au(CN)2-，络合稳定常数高达1038。但大量游离的CN-，不仅对操作人员的健康造成极大威胁，还存在腐蚀光刻胶等问题。 探·知识奥秘 29 KAu(SO3)2溶液 镀层金属(金) 经研究，得出了利用亚硫酸根离子和金离子形成的复杂离子替代氰根和金离子形成的复杂离子的电镀金方法，填补了我国无氰镀金的空白。 待镀金属(镀件) 电极 反应式 [Au(SO3)2]- ＋e- ＝Au＋2SO32- 电镀金原理(含氰法) 电镀 案例分析 探·知识奥秘 30 电解精炼 原因： 恢复方法： 思考：电镀过程中电解质溶液成分及浓度均保持不变，而电解精炼过程中，却减少，这是为什么呢？如何恢复呢？ 根据得失电子守恒，溶解铜的量小于析出铜的量，故硫酸铜浓度逐渐减小。 电镀过程中，溶液中的阳离子在阴极得到电子析出，根据得失电子守恒，溶质出去多少阳离子，阳极就下来多少阳离子，故过程中溶质浓度不变。 “少什么加什么” 例如：电解硫酸铜溶液少的是铜和氧，可加入氧化铜或者碳酸铜等复原 电镀 原因： 探·知识奥秘 工业上制备的铜，其含Cu约98.5%，还含有Fe、Ag、Au等杂质，为粗铜，需要通过再次精炼处理才能得到纯度为99.99%精铜，如何用电解的方法得到纯铜? 粗铜 精铜 探·知识奥秘 03 电冶金 电解CuCl2溶液 电解饱和NaCl溶液 阴极 阳极 石墨 石墨 阴极 阳极 铁钉 石墨 思考：选择电极材料时，需要注意哪些事项呢? 阴极用金属材料，目的在于增强电解池的导电性能 探·知识奥秘 34 阳极 产物 活性电极 惰性电极 电极材料失电子 阳极 溶液中阴离子根据放电顺序失电子 (除金、铂) 阴极 阴极 产物 与电极材料无关 溶液中阳离子根据放电顺序得电子 归纳总结 探·知识奥秘 分析3 阳极材料：粗铜 阴极材料：精铜 分析4 电解质溶液为硫酸铜溶液，其铜离子迁移到阴极得电子，析出为铜 理论分析 如何让粗铜中的铜变成铜离子进入溶液? 分析2 粗铜生成铜离子，失去电子，发生氧化反应，反应在阳极进行 实验 装置 电冶金 粗铜电解精炼得精铜 分析1 探·知识奥秘 备注：示意图中已忽略粒子大小 阳极 阴极 (粗铜) (纯铜) Cu-2e-＝Cu2+等 Cu2+＋2e-＝Cu 硫酸铜溶液 实验装置 电冶金 粗铜电解精炼得精铜 探·知识奥秘 硫酸铜溶液 阳极 (粗铜) Cu-2e-＝Cu2+等 粗铜含有铁 、银、金等杂质，接通直流电源后，粗铜中排在Cu前面的金属在阳极失电子，发生氧化反应，进入溶液中。 备注：示意图中已忽略粒子大小 实验装置 电冶金 粗铜电解精炼得精铜 Zn2+、Ni2+比Cu2+难还原，故不在阴极得电子析出，而只是留在电解质溶液里。 探·知识奥秘 阳极 (粗铜) Cu-2e-＝Cu2+等 银、金等金属杂质的失电子能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子，故以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。 Zn - 2e-＝Zn2+ Ni - 2e-＝Ni 2+ 阳极泥 可作为提炼金、银等贵金属的原料 硫酸铜溶液 备注：示意图中已忽略粒子大小 实验装置 电冶金 粗铜电解精炼得精铜 探·知识奥秘 硫酸铜溶液 阴极 (纯铜) Cu2+＋2e-＝Cu CuSO4溶液中Cu2+、H+以及阳极材料失电子溶解的Cu2+、Zn2+、Fe2+和Ni2+，都向阴极迁移。 Cu2+析出为铜单质，其他离子留在溶液中，从而达到粗铜精炼的目的 放电顺序：Cu2+＞H+＞Ni2+＞Fe2+＞Zn2+ 备注：示意图中已忽略粒子大小 实验装置 电冶金 粗铜电解精炼得精铜 探·知识奥秘 金属冶炼的本质是使矿石中的金属离子获得电子变成金属单质的过程 ( )，用电解法可将通常极难被还原的活泼金属 从其化合物中还原出来即电治金 。 Mn+＋ne- = M 赤铁矿 (Fe2O3) 孔雀石 Cu2(OH)2CO3 铝土矿 (Al2O3) 软锰矿 (MnO2) 电冶金 归纳总结 原理 探·知识奥秘 应用 用于冶炼普通还原剂难以还原的金属，如钠、钙、镁、铝等活泼金属。 电冶金 归纳总结 探·知识奥秘   电镀 电解精炼 装置 阳极材料 镀层金属Cu 粗铜(含锌、银、金等杂质) 阴极材料 镀件金属Fe 纯铜 阳极反应 Cu－2e－＝Cu2＋ Zn－2e－＝Zn2＋、Cu－2e－＝Cu2＋等 阴极反应 Cu2＋＋2e－＝Cu Cu2＋＋2e－＝Cu 溶液变化 Cu2＋浓度保持不变 Cu2＋浓度减小，金、银等金属沉积形成阳极泥 电镀与电解精炼 归纳总结 探·知识奥秘 目前有许多手机都采用了阳极氧化工艺，铝型材阳极氧化是一种电解氧化，铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下，由于外加电流的作用下，在铝制品(阳极)上形成一层多孔而致密，平整且均匀的氧化铝，以防止铝合金进一步氧化，同时通过电解作用完成铝合金的上色。 阳极 阴极 2Al-6e-＋3H2O＝Al2O3＋6H+ 2H+ ＋2e-＝H2↑ 阳极氧化工艺 (Al-C-H2SO4) 迁·拓展延伸 1．若要在铜片上镀银时，下列叙述中错误的是(　　) ①将铜片接在电源的正极　②将银片接在电源的正极　 ③在铜片上发生的反应是Ag＋＋e－＝Ag　 ④在银片上发生的反应是4OH－－4e－＝O2↑＋2H2O　 ⑤可用CuSO4溶液作电解质溶液　⑥可用AgNO3溶液作电解质溶液 A．①③⑥ B．②③⑥ C．①④⑤ D．②③④⑥ C 练·技能实战 2．金属镍有广泛的用途。粗镍中含有少量铁、锌、铜、铂等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是[已知：氧化性：Fe2＋<Ni2＋<Cu2＋](　　) A．阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2＋＋2e－=Ni B．电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等 C．电解后，溶液中存在的金属阳离子只有Fe2＋和Zn2＋ D．电解后，电解槽底部的阳极泥中有铜和铂，没有锌、铁、镍 D 练·技能实战 3．海水提镁的最后一步是将氯化镁电解获取金属镁，下列有关该电解过程的叙述中，正确的是(　　) A．两个电极必须都用惰性电极 B．阳极可以用金属电极，阴极必须是惰性电极 C．电解熔融状态的氯化镁 D．电解氯化镁的水溶液 C 练·技能实战 4.21世纪是钛的世纪，在800～1 000 ℃时电解TiO2可制得钛，装置如图所示，下列叙述正确的是(　　) A．a为电源的正极 B．石墨电极上发生还原反应 C．阴极发生的反应为TiO2＋4e－=Ti＋2O2－ D．每生成0.1 mol Ti，转移0.2 mol电子 C 练·技能实战 5．一种电解法制备高纯铬和硫酸的简单装置如图所示。下列说法正确的是(　　)  A．a为直流电源的正极 B．阴极反应式为2H＋＋2e－=H2↑ C．工作时，乙池中溶液的pH不变 D．若有1 mol离子通过A膜，理论上 阳极生成0.25 mol气体 D 练·技能实战 课时2 电解原理的应用 电解精炼铜 电镀 装置 产物分析 定义 目的 构成 原理 电冶金 原理 实质 应用 电解饱和食盐水 (氯碱工业) 实验现象 实验结论 装置改进 理·核心要点 感谢 您的聆听 THANKS 沪教版 2020选择性必修1 $