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第二节 化学能与电能的转化
课时4 电解原理的应用
第一章 化学反应与能量变化
授课人：
学习目标
1．通过对氯碱工业、电镀、电解精炼铜等原理的分析，认识电能与化学能之间的能量转化。
2．通过建立电解应用问题的分析思维模型和电解相关计算的思维模型，加深对电解原理的理解和应用。
课程导入
精微电化学加工技术
课程导入
电解——人类创造新物质的重要手段
电解
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。
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。
随着科技的进步，电化学的应用领域不断拓展，已广泛应用于化工、冶金、机械、电子、航空、航天、轻工、仪表、医学、材料、能源、环保等各工程技术领域中。
用电解饱和食盐水的方法来制取氢氧化钠、氢气和氯气，并以它们为原料生产一系列化工产品的工业。
一、氯碱工业
一、氯碱工业
电解NaCl溶液
一、氯碱工业
电解NaCl溶液
通电前：
NaCl Na+ + Cl-
H2O H+ + OH-
向阴极迁移
向阳极迁移
通电时：
H+→
H+→
一、氯碱工业
电解NaCl溶液
通电前：
NaCl Na+ + Cl-
H2O H+ + OH-
向阴极迁移
向阳极迁移
通电时：
氧化反应
放电顺序
Cl- ＞ OH-
还原反应
H+ ＞Na+
放电顺序
2H2O＋2e－==H2↑+2OH－
2Cl－－2e－==Cl2↑
一、氯碱工业
能否用该电解池制备Cl2、H2 和NaOH？
若不能，该怎样改进装置？
阴极区域
阳极区域
2NaCl +
2H2O
通电
H2 ↑ + 2NaOH + Cl2↑
一、氯碱工业
1．Cl2 与 NaOH 反应
Cl2 + 2OH- === ClO- + Cl- + H2O
一定条件
2．H2 与 Cl2 混合易爆炸
H2 + Cl2 === 2HCl
一、氯碱工业
2、防止阴极产生的氢气与阳极产生的氯气混合发生爆炸，也能避免氯气与阴极产生的氢氧化钠反应而影响氢氧化钠的产量和质量。
阳离子交换膜的作用：
1、只允许Na＋等阳离子通过，不允许Cl－、OH－等阴离子及气体分子通过。
一、氯碱工业
交换膜的作用
隔离某些物质，防止发生化学反应。
能选择性的通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
一、氯碱工业
用于物质的制备（电解后溶液阴极区或阳极区得到所制备的物质）
用于物质的分离、提纯
1
2
3
4
离子交换膜由高分子特殊材料制成，分四类：
(1)阳离子交换膜，只允许阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极膜(由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜)，
双极膜中间层的H＋在直流电场作用下移向阴极，OH－移向阳极。
常见的离子交换膜
一、氯碱工业
一、氯碱工业
利用四室电渗析法制备H3PO2(次磷酸)
阳极反应：
2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
阴极反应：
4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－
H2PO
H＋
Na＋
例1 一种水性电解液Zn-MnO2离子选择双隔膜电池如图所示[KOH溶液中，Zn2＋以Zn(OH) 存在]。电池放电时，下列叙述错误的是(　　)
A．Ⅱ区的K＋通过隔膜向Ⅲ区迁移
B．Ⅰ区的SO 通过隔膜向Ⅱ区迁移
C．MnO2电极反应：MnO2＋2e－＋4H＋
===Mn2＋＋2H2O
D．电池总反应：Zn＋4OH－＋MnO2＋4H＋===Zn(OH) ＋Mn2＋＋2H2O
A
典例解析
纯铜
CuSO4溶液
粗铜
含锌、金、银等杂质
二、铜的电解精炼
二、铜的电解精炼
阳极
Cu–2e- == Cu2+
Fe–2e- == Fe2+
阴极
CuSO4溶液
阴极：放电顺序：
Cu2+ ＞ H+ ＞ Fe2+＞Zn2＋
阳极：放电顺序：
金属 ＞ OH- ＞ SO
2-
4
Zn－2e－== Zn2＋
Cu2＋＋2e－===Cu
二、铜的电解精炼
电解精炼铜的原理：粗铜中比铜活泼的金属锌、铁等，失去电子形成阳离子而溶解(残留在溶液中)；比铜不活泼的金属银、金等，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。
二、铜的电解精炼
电解质溶液浓度在电镀前后不相等；
阴极增加的质量和阳极减少的质量不相等。
电解精炼过程中的“两不等”
二、铜的电解精炼
镀金
镀银
镀合金（黄铜）
镀锌铁丝
电镀：
应用电解原理在某些金属或非金属材料表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。
电镀可以使金属更加美观耐用，抗腐蚀性能增强。
三、电镀
电镀银
阴极
阳极
电镀液
Ag－e－===Ag＋
Ag＋＋e－===Ag
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。
现象：
待镀金属表面镀上一层光亮的银，银不断溶解。
含银离子溶液浓度不变
特点：
三、电镀
思考
构成电镀池的条件是什么？
镀层金属与直流电源的正极相连，作阳极；
待镀金属制品与直流电源的负极相连，作阴极。
用含有镀层金属离子的电解质溶液作电镀液。
形成闭合回路。
1
2
3
4
三、电镀
“一多”指阴极上有镀层金属沉积；
“一少”为阳极上有镀层金属溶解；
电镀过程中的“一多，一少，一不变”
“一不变”指电镀液(电解质溶液)的浓度不变。
三、电镀
三、电镀
电化学反应中的计算方法
电子守恒法计算
用于串联电路，通过阴、阳两极的电量相同等类型的计算，其依据是电路上转移的电子数相等。
总反应式计算
先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。
关系式计算
根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需要的关系式。
跨学科计算
无论是原电池还是电解池，无论是一个“池”还是多个任意“池”串联，在电路和电极上单位时间通过的电量相同。
Q＝It＝n(e－)×NA×1.60×10－19 C
典例解析
例2 在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中，c(NO )＝6 mol/L，用石墨电极电解一段时间后，两极均收集到22.4 L气体(标准状况)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，NO 不参与电极反应，下列说法正确的是(　)
A．电解得到的Cu的物质的量为0.5 mol
B．向电解后的溶液中加入98 g的Cu(OH)2可恢复为原溶液
C．原混合溶液中c(K＋)＝6 mol/L
D．电解后溶液中c(H＋)＝2 mol/L
B
课堂小结
氯碱工业
电镀
不良反应
原理
交换膜
原理
相关计算
铜的电解精炼
原理
1、Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的一种制取Cu2O的电解池示意图如图，电池总反应为2Cu＋H2O Cu2O＋H2↑。下列说法正确的是(　　)
A．石墨电极上产生氢气
B．铜电极发生还原反应
C．铜电极接直流电源的负极
D．当转移0.1 mol电子，有0.1 mol Cu2O生成
A
课堂练习
课堂练习
2、四室式电渗析法制备盐酸和NaOH的装置如图所示。a、b、c为阴、阳离子交换膜。已知：阴离子交换膜只允许阴离子透过，阳离子交换膜只允许阳离子透过。下列叙述正确的是(　　)
A．b、c分别依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
B．通电后Ⅲ室中的Cl－透过c迁移至阳极区
C．Ⅳ室中的溶液的浓度降低
D．电池总反应为4NaCl＋6H2O
4NaOH＋4HCl＋2H2↑＋O2↑
D

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