2022年高中化学（大纲版）第三册 第四单元电解原理及其应用第二节氯碱工业(备课资料)

2022年高中化学（大纲版）第三册 第四单元 电解原理及其应用 第二节氯碱工业(备课资料)1.用培养皿做电解质溶液导电性的实验操作(1)在直径为12厘米的培养皿里加入30毫升蒸馏水，用碳棒作电极制成电解槽。电路里串联2.5伏的小电珠，接通2030伏直流电源，如右图所示。(2)向培养皿里的水中滴加饱和硝酸钾溶液，边滴边搅拌，到电珠灯丝刚好出现极微弱的红光，停止滴加，并关掉电源。(3)在培养皿中央放入一粒高锰酸钾晶体，并接通电源。可以看到随着高锰酸钾的溶解、分散，离子的增多和定向移动，电珠由暗到明的同步变化。2.趣味电解实验药品：0.001 molL1 AgNO3溶液，浓氨水仪器：培养皿，滴管，铂电极两个，稳定电源一个过程(1)在培养皿中加入足量的AgNO3溶液，滴入浓氨水至沉淀溶解为止。(2)将阳极伸入溶液，浸没在容器一侧；阴极在容器另一侧，仅与溶液表面接触，如下图。(3)通6 V电源。现象：可以清晰地看到通电以后，在与阴极接触的溶液部位刚开始产生一点银白色的金属，接着便迅速地开始向着阳极生长，类似于古生橛子类植物叶子的形状。注意点：(1)电解液中，Ag不能大。(2)为使现象明显，便于全班学生观察，最好使用实物投影仪器。3.课题研究示例提高实验室电解水制备氢气效率方法的探索背景资料：在实验室制备氢气过程中，经常会发现电解水效率不高的问题。如何有效提高水的转化率呢？实验要求：1.设计实验装置，并阐述影响电解水转化率的因素及其改进措施；2.能对实验数据进行较为详细地分析。参考答案：实验原理和成败关键：电解是在外电源作用下被迫发生的氧化还原过程。水在通直流电时，在两极发生氧化还原反应，在阳极上氢氧根离子失去电子，放出氧气。在阴极上，氢离子获得电子，产生氢气。从理论上讲，所产生的氢气和氧气的体积比恰好为21。实验过程中，时常会出现两种气体的体积比与理论上存在偏差的现象(氧气的体积偏小，氢气的体积偏大)。造成这种结果的原因是多方面的，但其中最主要的是氢和氧在电极上析出时的超电势(相当于物理中的反电动势)。影响电极析出气体的超电势的因素可以有以下几个方面：1.电流密度：同一种电极，作用在它上面的电流密度小，则超电势也较小。下面是几种常用电极从浓度为1 mol/L H2SO4溶液中析出氢时的超电势(见下表)：不同金属电极上从1 mol/L H2SO4溶液中析出氢的超电势2.电极的活性：由上表可以看出，较活泼的金属比活泼性稍差的金属作电极时，它的析出超电势要高；3.析氧的超电势一般比析氢高，如以Pt为电极稀硫酸为电解液，析出氧的超电势均为0.5 V。由以上几点分析可知，以稀H2SO4作电解液时，为了确保电解过程中产生的氢气和氧气的体积比为21，应该尽可能选用不活泼的金属(或石墨)作为电极；适当增大电流密度(升高电压)使析出氢、氧的超电势的差距缩小，两种气体基本上同时析出。在碱性条件下(以NaOH或KOH为电解质)电解水时，因多数电极不易与溶液发生反应，而且气体析出的超电势差距不大，只要电流密度稍大(电压略高)，对电极要求不高。操作要点：1.自制霍夫曼式电解器。(1)自制装置取一段长10 cm内径约4 cm的粗玻璃管(如废日光灯管)。上下口各配一适当大小的橡胶塞。在上口的胶塞上安装两支碱式滴定管，下面的胶塞上安装上一个直角(或U形)玻璃管，再插上两个曲别针(作电极)。将装置固定在铁架台上。用一根长玻璃管将一个漏斗和直角玻璃管连接起来，使漏斗的上口超过碱式滴定管的滴液口。调整滴定管的位置，使它们离下面胶塞的距离约1 cm，曲别针正好在滴定管的中间。(2)电解操作：挤压滴定管上的乳胶管，将浓度为10%的NaOH溶液从漏斗中注入，使溶液充满两支滴定管。将直流电源的正、负极分别与电解器上的两个电极(曲别针)相连。接通电源，可以立即看到在两极上几乎同时有气泡产生。调整电流在100200 mA(曲别针电解时的有效面积约1 cm2)一段时间后，关闭电源，观察滴定管中两种气体的体积情况。发现电极与直流电源负极相连的滴定管，所产生气体的体积与另一支滴定管中气体的体积比恰好是21。轻轻挤压气体较多滴定管上的乳胶管，用火柴点燃排出的气体，气体可以安静地燃烧说明是氢气。再挤压另一支滴定管上的乳胶管气体缓缓排出，用带有余烬的火柴接近该气体，火柴立即复燃，说明气体是氧气。2.使用简易实验装置。(1)装置的制作：将大口试剂瓶去掉底部，在口上安装一个大号胶塞，胶塞上插入两支用作电极的曲别针，距离约2 cm左右，制成电解槽。将浓度为20%的H2SO4溶液倒入电解槽中(体积不超过电解槽容积的)，另取两只带刻度的试管，装满电解液，在口上盖一块小纸片，倒提着放入电解槽中，使电极伸入到试管内部。将电解槽上的两极与直流电源上的正负极连接好，打开电源开关，两电极上同时有气体产生并收集在刻度试管中。当与电源正极相连的电极上试管中的气体收集到5 mL刻度线时立即切断电源，观察另一只试管中收集的气体体积，可以发现正好在10 mL刻度线处。将两个和刻度试管匹配的胶塞放入电解槽内，移动试管，在液面下用胶塞将试管口盖好，取出试管后用清水洗净。打开储有10 mL气体的试管，用燃着的火柴放在试管口上，可以听到“噗”的一声，说明是气体氢气。取另一储有5 mL气体的试管，打开胶塞，将带火星的木条伸到试管中，木条立刻复燃，说明该气体是氧气。而且直观地看到：水在电解时产生的氢气和氧气的体积比是21。