资源简介

(共28张PPT)
专题1 化学反应与能量变化
第二单元 化学能与电能的转化
1.2.4 电解原理的应用
核心素养目标
科学态度与社会责任：
通过对比电解饱和食盐水、电镀、电冶金等不同应用场景，归纳电解原理的共性与特性，实现知识迁移。
证据推理与模型认知：
通过对比电解饱和食盐水、电镀、电冶金等不同应用场景，归纳电解原理的共性与特性，实现知识迁移。
宏观辨识与微观探析：
通过分析离子交换膜在电解池中的作用，理解宏观装置设计与微观离子选择性迁移的关系。
教学重难点
重点
电解饱和食盐水的电极反应、离子交换膜的作用。
电解精炼铜的阴阳极反应、电镀时镀层金属作阳极的原理。
电解熔融态化合物制备活泼金属的电极反应与能量转化。
难点
理解氯碱工业中阳离子交换膜为何只允许 Na 通过，以及如何通过膜技术提高产物纯度。
如电解饱和食盐水时 OH 向阳极迁移导致的副反应及避免方法。
结合电子守恒计算电解产物量，以及工业生产中的能耗优化策略。
课前导入
你是否想过手机芯片中的高纯硅如何制备？超市里的烧碱（NaOH）又是怎么生产的？这些都离不开电解原理的神奇应用！1892 年，霍尔 - 埃鲁特法电解熔融氧化铝制铝的发明，使铝从 “贵族金属” 变为日常生活用品，彻底改变了世界金属材料的格局。如今，电解技术已渗透到化工、冶金、电子等多个领域，从氯碱工业到电镀防锈，电解池如同 “物质转化的魔术师”，将电能转化为化学能，实现非自发反应的大规模生产。
今天，我们将走进电解原理的工业应用现场，从氯碱工业的离子交换膜到电镀槽的电极设计，解密电解如何从实验室走向大规模生产，甚至尝试为某电镀厂设计一套环保型电解方案，体验化学原理与工业实践的完美结合！
01
电解饱和食盐水与铜的电解精炼
电解饱和食盐水
→阳极：
优先放电的离子：Cl-，电极反应式：2Cl--2e-=Cl2↑，反应类型：氧化反应。
→阴极：
优先放电的离子：H2O电离出的H+，电极反应式：2H2O+2e-=H2↑+2OH- ，反应类型：还原反应。
→电解方程式：2NaCl+2H2OH2↑+2NaOH+Cl2↑
电解饱和食盐水
的原理示意图
电解饱和食盐水的工作原理
(1)电解过程中，阳极室Cl-离子浓度减小，Na+离子通过阳离子交换膜进入阴极室，NaCl溶液浓度变小；阴极室OH-离子浓度增大，形成NaOH浓溶液。
(2)阳极产物为Cl2，阴极产物为：NaOH、H2。
(3)阳离子交换膜的作用
①防止阴极区的OH-进入阳极区，OH-与Cl2的反应方程式为Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O。
②防止H2与Cl2混合发生爆炸。
“隔膜”在电化学装置中的应用
①阳离子交换膜：对阳离子有选择性透过作用的膜，简称阳膜
②质子交换膜：一般指对H+有选择性透过作用的膜
③阴离子交换膜：对阴离子有选择性透过作用的膜，简称阴膜
④“两性离子”交换膜：同时含有阳离子交换基团和阴离子交换基团的离子交换膜，对某些离子有较高的选择性，主要用于离子分离和回收溶液中的微量金属
⑤双极膜:一面是阴离子交换膜，另一面是阳离子交换膜，中间有一层很薄的相界面，相界面中的H2O解离成H+和OH-并在直流电场的作用下分别透过阳离子交换膜和阴离子交换膜向两极迁移，作为H+和OH-的供应源
“隔膜”在电化学装置中的作用
①防止副反应的发生，避免影响制取产品的纯度和产量；防止危险发生。
例如电解饱和食盐水，利用阳离子交换膜，阳离子交换膜只允许阳离子通过，而阻止阴离子和气体通过，也就是说只允许Na+和H+通过，而Cl-和OH-与气体不能通过。
阳离子交换膜既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液反应而导致产物烧碱不纯
②用于物质的制备、分离、提纯
电解—人类创造新物质的重要手段
电的发明是人类历史上一个重要的里程碑，不仅提高了人类的生活质量，还实现了从电能到化学能的转变，“颠覆”了对化学变化的传统认识，一些在通常条件下不能进行的化学反应在通电条件下成为了现实。电解帮助人类创造出更多自然界不存在的新物质，成为化学重要分支——电化学或能源化学的基础，因此也形成了电解工业。
从本质上看，电解就是借助电流分解反应物，将电子提供给溶液或熔融态中的某些微粒，使其获得电子生成新的物质。在使用电解手段之前铝是稀缺金属，时至今日每年通过电解得到的铝已逾千万吨级，成为生产、生活中常用的金属材料。电解除广泛应用于金属矿物冶炼、金属精炼外，还促进了电镀、污水处理等领域的技术革命，为新的制造业的发展提供了理论基础
铜的电解精炼
铜的电解精炼
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。
(1)电解池的构成：
用粗铜作阳极，用纯铜作阴极，用硫酸酸化的硫酸铜溶液作电解质溶液。
(2)电极反应式
阳极反应式：Zn -2e-= Zn2+、Fe-2e-= Fe2+、Cu -2e-=Cu2+等。
阴极反应式：Cu2++2e-=Cu。
铜的电解精炼工作原理
(1)阳极反应
金属铜和比铜活泼的锌、铁等金属转化为阳离子进入溶液中，不如铜活泼的银、金等在阳极沉积下来，形成阳极泥。
(2)阴极反应
溶液中的Cu2+比Zn2+、Fe2+等离子优先得到电子，成为金属铜析出。
(3)电解质溶液中Cu2+浓度先减小后不变。
铜的电解精炼
02
电镀
电镀
→概念：
应用电解的原理在某些金属或其他材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
→目的：
①提升美观和增加表面硬度；
②增强材料的抗腐蚀能力，防止金属氧化。
(3)镀层金属通常是一些不易被腐蚀的金属或合金如铬、镍、银、铜等。
表面镀银的餐具
电镀—铁钉镀锌
1. 实验准备
仪器：托盘天平、烧杯、试管、玻璃棒、镊子、药匙、导线、细砂纸、直流电源（6~9 V）。
药品和试剂：铁钉、锌片、2 mol·L－1NaOH溶液、浓盐酸、ZnCl2、KCl、硼酸、浓硝酸、蒸馏水。
2. 实验操作
（1）电镀液配制：先向烧杯中加入50 mL蒸馏水，加入3.5 g ZnCl2，再加入12.5 g KCl、1.5 g硼酸，搅拌使固体溶解，调节溶液的pH为5~6。
（2）镀件的处理：用细砂纸打磨铁钉，用水洗净；把铁钉放入80 ℃ 2 mol·L－1NaOH溶液中浸泡5 min，除去油污，洗净；再将铁钉放入45 ℃的浓盐酸中浸泡2 min，取出，洗净；最后将铁钉放入V(浓硝酸)∶V (水)＝1∶100的稀硝酸中浸泡3~5 s，取出，洗净。
（3）电镀操作：用烧杯作电镀槽，加入电镀液，用锌片作阳极，铁钉作阴极，接通6 V的直流电源，电镀20~25 min，观察并记录现象。
电镀—铁钉镀锌
→实验操作要点：
①镀件的处理：铁钉依次使用细砂纸打磨、NaOH溶液浸泡、浓盐酸浸泡、稀硝酸浸泡，并洗净。
②电镀操作：锌片作阳极，铁钉作阴极。
→电镀池的构成：
通常用待镀金属制品为阴极，以镀层金属为阳极，用含有镀层金属离子的溶液作电解质溶液。
→电极反应：
阳极：Zn-2e-=Zn2+ 阴极：Zn+2e-=Zn
电镀银的工作原理
(1)电极反应式
阴极：Ag＋＋e－=Ag
阳极：Ag－e－=Ag＋
(2)可观察到的现象是待镀金属表面镀上一层光亮的银，阳极上的银不断溶解。
(3)含银离子的溶液浓度的变化是不变。
电镀银原理示意图
电解精炼铜和电镀铜的比较
电镀铜 精炼铜
能量转化 电能转化为化学能 阳极材料 纯铜 粗铜(含锌、银、金等)
阴极材料 镀件 纯铜
阳极反应 Cu-2e-=Cu2+ Zn-2e-=Zn2+
Cu-2e-=Cu2+
阴极反应 Cu2++2e-=Cu 电解溶液及其变化 电解后硫酸铜溶液浓度保持不变 电解后溶液中混有Zn2+等，c(Cu2+)减小
塑料电镀
同学们在选购衣服时可能会注意到，一些衣服上金闪闪或银灿灿的纽扣让服装的色彩更加协调，给人一种赏心悦目的美感。但也许你会发现，这些看上去像金属材质的纽扣很轻，并没有印象中的金属质感。其实这漂亮的“金属”纽扣不是金属的，而是塑料的，它们表面金色或银色的华贵外衣，是采用化学方法电镀上去的。
事实上，把金属外衣镀到塑料制品上并不是一件容易的事。因为塑料是绝缘体，无法直接将金属镀到塑料制品的表面。但这难不倒化学工作者，他们经过多番实验，终于发明了一种名为ABS的新型塑料。这种塑料一旦碰上铬酸，表面就会受腐蚀，产生许多微孔，在电镀工业上叫粗化。将这种材料粗化后，再采用化学方法，使用氯化亚锡、硝酸银和硫酸铜等溶液，通过化学反应使已粗化的塑料表面附着一层能导电的金属薄膜，这样就可以用电镀法将镍、铬等金属外衣“披”在塑料制品上了。
由于塑料电镀制品兼有塑料的质量轻、易成型和金属镀层的美观等特点，因而塑料电镀被广泛用于汽车、摩托车、家用电器的零部件和水暖器材的生产。
03
课堂小结
04
课堂练习
1．观察下列几个装置示意图，有关叙述正确的是(　　)
C
A．装置①中阳极上析出红色固体
B．装置②中铜片应与电源负极相连
C．装置③中外电路电流方向：b极→a极
D．装置④中阴极反应：2 Cl－－2e－=Cl2
2．以石墨为电极，电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。下列说法错误的是(　　)
A．阴极附近溶液呈红色 B．阴极逸出气体
C．阳极附近溶液呈蓝色 D．溶液的pH变小
D
3．下列关于铜电极的叙述正确的是(　　)
A．铜锌原电池中铜是负极
B．用电解法精炼粗铜时粗铜作阴极
C．在镀件上电镀铜时可用铜作阳极
D．电解食盐水时铜作阳极
C
4．以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌，下列说法正确的是
(　　)
A．未通电前上述镀锌装置可构成原电池，电镀过程是该原电池的充电过程
B．因部分电能转化为热能，电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系
C．电镀时保持电流恒定，升高温度不改变电解反应速率
D．镀锌层破损后对铁制品失去保护作用
C
感谢您的聆听

展开更多......

收起↑