2019-2020年高中化学（大纲版）第三册 第四单元 电解原理及其应用 第一节电解原理(第二课时).doc

2019-2020年高中化学（大纲版）第三册 第四单元 电解原理及其应用 第一节电解原理(第二课时)复习巩固投影练习1.下列关于电解槽的叙述中不正确的是A.与电源正极相连的是电解槽的阴极B.与电源负极相连的是电解槽的阴极C.在电解槽的阳极发生氧化反应D.电子从电源的负极沿导线流入电解槽的阴极2.用惰性电极电解某金属的硫酸盐溶液时，在阴极上析出m克金属，同时在阳极上析出0.8 g气体，若金属的原子量为M，则其化合价为A.mM B.C.D.3.在下图中x,y分别是直流电源的两极，通电后发现a极板质量增加，b极板处有无色无嗅气体放出，符合这一情况的是学生练习，教师巡视，并根据具体情况进行指导和讲解解析：1.答案：A2.本题的解题关键在于：分析电解硫酸盐溶液的阴、阳极产物，然后根据阴、阳极反应中得失电子数目相等来找出已知物质间的关系式，然后进行求解。由题意可知，阴极析出金属(可用R表示)，阳极是OH放电(阴离子放电顺序：OHSO),产生O2。设金属R的化合价为x，根据 则阴、阳极产物的关系式为：4RxO24M32xm0.8x=答案：B3.本题装置外接直流电源，是电解池。题目通过电解池两极反应现象的描述，要求做题者选择符合现象的组合，考查对电解中电极反应的掌握程度。解题时，可抓住两极反应现象，采用逐步淘汰的方法筛选。根据金属阳离子能在阴极得电子被还原析出而增重，可知,a极为阴极，则X电极为负极，从而否定C。在提供的四种Z溶液中涉及的阳离子是Ag、Cu2、H(水电离的)、Na，由此否定B。b极(阳极)放出无色无臭的气体，根据四种Z溶液的阴离子分析，放电离子是OH(B已否定，OH为水电离的)，从而否定D。最终确定A符合题意。答案：A引言以上我们通过练习重温了有关电解池和电解原理的知识，本节课我们就在此基础上来认识电解原理的一些应用。板书第一节 电解原理(第二课时)师请大家分析以下装置中的电极反应及反应现象。并写出电极反应式。投影请一位同学上黑板写出电极反应式学生板书阴极：Cu22e=Cu阳极：Cu2e=Cu2设问电解一段时间后，我们能看到什么现象呢？生阴极铜电极(a电极)变粗，阳极铜电极(b电极)变细。追问假若阳极铜电极中含有锌、铁、镍、银、金等杂质时，电解时又将怎样呢？请大家讨论后回答。学生分组讨论，并汇报讨论结果结论：杂质金属均失电子变为阳离子Zn2、Fe2、Ni2、Ag等，根据溶液中离子的放电顺序，银、金等的离子先在阴极铜棒上得电子成为单质析出。结论：活泼金属先失电子变为阳离子进入溶液，而Ag、Au等直接以原子的形式沉积下来(可由Pt、Au为惰性电极推得)，溶液中的Cu2在阴极得电子被还原为铜单质。师到底哪一种结论正确呢？答案在这里！投影展示电解精炼铜原理。电解精炼铜原理讲解由上图可以看出当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性顺序表中铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：草板书Zn2e=Zn2 Fe2e=Fe2 Ni2e=Ni2讲解但是它们的阳离子比Cu2难以还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液里。而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等金属杂质，因为给出电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的Cu失去电子变成离子溶解之后，它们是以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥(阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料)。过渡工业上就是通过以上电解原理来精炼铜的。板书二、铜的电解精炼师请大家阅读课本有关铜的电解精炼的内容，并回答以下问题：投影问题1.火法冶炼得到的铜为什么要进行精炼？2.怎样用电解法精炼铜？3.精炼铜时，电解液中的Cu2浓度是否会发生改变？学生看书后回答1.一般火法冶炼得到的粗铜中含有多种杂质(如锌、铁、镍、银、金等)，这种粗铜的导电性远不能满足电气工业的要求，如果用以制电线，就会大大降低导线的导电能力。因此必须利用电解的方法精炼粗铜。2.电解时，用粗铜板作阳极，与直流电源的正极相连，用纯铜片作阴极，与电源的负极相连，用CuSO4溶液(加入一定量的硫酸)作电解液。电解时，粗铜溶解，以Cu2的形式进入溶液，溶液中的Cu2在阴极得到电子而沉积，最后在阴极得到纯铜。3.电解时，由于阳极上铜溶解的速率与阴极上铜沉积的速率相同，所以溶液中 CuSO4的浓度基本保持不变。教师总结并板书1.火法冶炼铜不能满足电气工业要求。2.铜的精炼阳极：Cu(粗铜)2e=Cu2阴极：Cu22e=Cu(精铜)电解液：CuSO4(含一定量H2SO4)3.电解时，电解液的浓度基本不变。讲解用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度很高，可以达到99.95%99.98%。这种铜的导电性能良好，符合电气工业的要求，因此电解铜被广泛用以制作导线和电器等。思考若电解时，用粗铜做阴极，纯铜做阳极，结果又会怎样呢？答案：纯铜溶解，以Cu2的形式进入溶液，Cu2在阴极得电子变为Cu附着在粗铜表面达不到精炼铜的目的。过渡请大家看下列物品：展示镀金(或银)首饰、镀铜(或锌)首饰，且最好与真的金、银首饰相比较问仅仅凭外观，大家能辨别出其中的真伪吗？学生摇头引入那么，是什么技术使这些物品达到了以假乱真的效果呢？那就是电镀！板书三、电镀师请大家看下面的实验演示实验在烧杯里放入铜氨溶液，用一铁制钥匙(预先用酸洗净)作阴极，铜片作阳极。通电，观察铁制品表面颜色的变化。结果，银白色的铁制品表面变成了紫红色。以上实验可让学生上讲台演示问产生以上现象的原因是什么？请一位同学回答答案：通电时，做为阳极的铜片失电子，以Cu2的形式进入溶液，而溶液中的Cu2在直流电作用下，向阴极移动，并在阴极得电子以铜单质的形式析出来，我们刚刚看到的紫红色，实际上就是析出来的铜。师回答得很好！以上这一过程实际上就是一个电镀过程。讲解并板书1.电镀就是利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过程。思考比较电镀和电解精炼铜的过程，其反应原理是否相同？学生思考后回答相同！它们都是金属阳极失电子发生氧化反应，阴极都是金属阳离子得电子发生还原反应。师对！电解精炼铜和电镀都是电解原理的具体应用。讲解用于电镀的装置我们把它叫电镀池。所用的电解质溶液叫电镀液。设问电镀时，我们对电镀液和浸入电镀液的电极有无什么特殊的要求呢？请大家结合电解原理进行讨论、分析。学生讨论后回答教师板书阴极：待镀金属制品。阳极：镀层金属。电镀液：含有镀层金属离子的电解质溶液。设问电镀的目的仅仅是为了以假乱真吗？生不是！追问那么，电镀的真正目的是什么？能否举例说明？请大家阅读课本有关内容，并回答。板书2.电镀的目的。学生阅读后回答电镀可以使金属更加美观耐用，增强防锈抗腐能力。例如：自行车的把手及车圈，镀上一层铬后，既美观又耐蚀，铁制水龙头镀上耐蚀镀层后，可延长其使用寿命。在铁、铝等的表面镀上金、银，不但物美价廉，而且可以节省资源。教师评价很好！讲解镀铜是一种应用最广的电镀方法。其除了可直接用作金属制品的表层外，通常则主要用于电镀其他金属前的预镀层。例如，在钢铁表面电镀其他金属时，往往要预先镀上一薄层铜，然后再镀所需镀的金属，这样可以使镀层更加牢固和光亮。引导学生看课本彩图中的电镀制品展示形状一样的一电镀过的水龙头和一铁制水龙头问大家能否把这一铁制水龙头变成这般模样(指电镀水龙头)？若能，怎样操作？生能。用铁制水龙头做阴极，用镀层金属做阳极，用含镀层金属离子的电解质溶液为电镀液，通入直流电即可。反问真的就这么简单吗？讲解从原理上讲，上述结论是正确的。但实际操作却要复杂得多。为了使镀层致密、坚固和光亮，生产中还要采取很多措施。例如，在电镀前要对镀件进行抛光、除油、酸洗、水洗等预处理，并且还常在电镀液中加入一些盐类，以增加溶液的导电性，促进阳极的溶解，还要在电镀液中加入一些添加剂；在电镀时，要不断搅拌，并控制温度、电流、电压和使电解液的pH在一定范围之内。过渡我们看待任何事物都应持一分为二的观点。关于电镀，也不例外。板书3.一分为二看电镀。师请大家看下面的资料。投影展示资料一：铬是银白色的金属，难熔(熔点1800)，比重为7.1，和铁差不多。铬是最硬的金属。通常的铬都很脆，因为其中含有氢或微量的氧化物。极纯的铬不脆，富有展性。铬的化学性质很稳定，在常温下，放在空气中或浸在水里，不会生锈。手表的外壳常是银闪闪的。一些眼镜的金属架子，表带、汽车灯、自行车车把与钢圈、铁栏杆、照像机架子等，也都常镀一层铬，不仅美观，而且防锈。所镀的铬层越薄，越是会紧贴在金属的表面，不易脱掉。在一些炮筒、枪管内壁，所镀的铬层仅有0.005毫米厚，但是，发射了千百发炮弹、子弹以后，铬层依然还在。资料二：铬是一种银白色、有光泽、坚硬而耐腐蚀的金属。铬化合物以二价(如氧化亚铬CrO)、三价(如三氧化二铬Cr2O3)、六价(如铬酸酐CrO3、铬酸钾K2CrO4、重铬酸钾K2Cr2O7等)的形式存在。在天然水源中一般不含铬，如发现铬的化合物，则系由工业废水所污染。在含铬废水中铬以六价和三价两种形式存在。六价铬主要来源于机械、航空、仪表、电气和医疗器械制造工业的镀铬，其次生产铬酸盐和三氧化二铬的工厂也排出含六价铬的废水。三价铬主要来源于皮革厂的铬鞣车间、染料厂的印花车间、制药厂的对硝基苯甲酸车间和香料厂等。在铬的化合物中，六价铬的毒性最强，三价铬次之，二价铬和铬本身的毒性很小或无毒。由于铬具有强氧化作用，所以中毒症状常以局部损害为主。经呼吸道侵入人体者，首先侵害上呼吸道，引起鼻炎、咽炎、喉炎、支气管炎等。长期作用，进而可引起肺部病变，如肺硬化、肺气肿、支气管扩张等。资料三：含镉、汞废水是世界上危害较大的工业废水之一。化学工业、冶炼、电镀等生产部门是含镉、汞废水的重要来源。镉进入人体后，造成积累性中毒，它首先引起肾脏损害，使肾小管再吸收不全，过多的钙长期从尿中损失得不到补充，就从骨骼中夺取钙，导致骨质疏松和骨骼软化，患者有无法忍受的骨痛感，故名“骨痛病”。汞进入人体后，也会逐渐积累起来。水俣(音)病的特征是以脑损害为主要特征。因水俣病最早发现于日本九州一小镇小俣而得名。病因是甲基汞中毒。汞中毒的病象：口腔炎、齿龈炎、神经过敏、头痛、发抖、腹泻、作呕和贫血等。资料四：在电镀、煤气、焦化、冶金、金属加工、制革、化纤、塑料、农药等工业部门的生产中，使用或生产大量的氰类化合物，因此常有许多含氰的废水排出。氢氰酸(HCN)、氰化物都是剧毒物质，人体如吸入、口服或经皮肤浸入含氰的水、蒸气与粉尘，均能引起中毒。急性中毒时，轻者有粘膜刺激症状、唇舌麻木、头痛、眩晕、下肢无力、胸部压迫感、恶心、呕吐、心悸、血压上升、气喘、瞳孔散大等；重者呼吸不规则，意识逐渐昏迷痉挛，大小便失禁，血压下降等，以致死亡。讲解由以上资料可以看出。在电镀工业的废水中常含有剧毒物质，如氰化物、重金属等。这些有毒物质如随废水流入自然水域，会严重污染水体。氰化物会毒死水中生物，而重金属会被贝类等吸收，最终危害人类健康。因此，绝不允许将电镀废水直接排入自然水域，必须经过处理，回收其中的有用成分，把有毒有害物质的浓度降低到符合工业废水排放标准。减小电镀污染的另一重要途径是改进电镀工艺，尽量使用污染少的原料，如改变电镀液成分，采用无氰电镀工艺等。小结本节课我们主要学习了电解原理在具体实践中的应用精炼铜和电镀。同时了解了电镀废水对人类的危害。布置作业习题：一、2 二、2 三、1板书设计第一节 电解原理(第二课时)二、铜的电解精炼1.火法冶炼铜不能满足电气工业要求。2.铜的精炼阳极：Cu(粗铜)2e=Cu2阴极：Cu22e=Cu(精铜)电解液：CuSO4(含一定量H2SO4)3.电解时，电解液的浓度基本不变。三、电镀1.电镀就是利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过程。阴极：待镀金属制品阳极：镀层金属电镀液：含有镀层金属离子的电解质溶液。2.电镀的目的3.一分为二看电镀。教学说明本课时教授时，重点突出了以金属电极为阳极的电解原理，这可以促使学生从本质上去认识精炼铜和电镀的知识，也更有利于学生对旧知识的巩固和对新知识的掌握。本节课主要运用了引导学生进行探究的教学方法，这可以很好地调动学生学习的积极性，另外，本节课还以实物为辅助以加深学生对这部分知识内容的理解。在介绍重金属离子对人类的危害时，提供了一些资料以扩大学生的视野，教师在讲授时，可根据具体情况而进行选用。综合能力训练题1.工业上处理含Cr2O酸性工业废水用以下方法：往工业废水中加入适量的NaCl，搅拌均匀；用Fe为电极进行电解，经过一段时间有Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀产生；过滤回收沉淀，废水达到排放标准。试回答：(1)电解时的电极反应：阳极_，阴极_。(2)写出Cr2O转变成Cr3的离子反应方程式： 。(3)电解过程中Cr(OH)3、Fe(OH)3沉淀是怎样产生的？ 。(4)能否将Fe电极改成石墨电极？为什么？解析：此题是电极反应、氧化还原反应、水解反应等方面知识的综合题，也是理论联系实际的应用题。根据电解原理可判断：阳极为非惰性材料Fe,发生氧化反应Fe2e=Fe2。废水呈酸性，H浓度较大，阴极发生还原反应2H2e=H2。在酸性溶液中，阳极溶解下来的Fe2将Cr2O还原成Cr3,Fe2被氧化成Fe3。随着电解的不断进行，H减小，Cr3、Fe3在溶液中的水解程度增大，以至从溶液中析出沉淀Cr(OH)3和Fe(OH)3。废水中先加入适量的NaCl，是为增强溶液的导电性。若Fe电极改成石墨电极(惰性电极)，则溶液中的Cl在阳极放电2Cl2e=Cl2，溶液中无Fe2，也就无法将废水中的Cr2O还原而除去。答案：(1)Fe2e=Fe2,2H2e=H2(2)Cr2O6Fe214H=2Cr36Fe37H2O(3)不能。若将Fe电极改成石墨电极，则溶液中的Cl在阳极放电(2Cl2e=Cl2)，溶液中无Fe2，也就无法将废水中的Cr2O还原而除去。2.如下图为电解水的实验装置示意图，闭合开关S后，观察到电压表的示数为6.0 V，毫安表的示数为100 mA。(1)此时A管内生成 气，B管内生成 气。(2)请写出电解水的化学方程式： (3)通电过程中，A极、B极各发生何种反应(用电极反应式表示)? (4)为了加快电解水的速率，可在水中加入 (填序号)A.H2SO4 B.HCl C.NaOH D.NaCl(5)在实验过程中消耗了何种形式的能量，产生了何种形式的能量? (6)若通电10 min，A管中将生成 mL气体(每个电子带电1.61019C)。(7)已知每摩尔水被电解消耗280.8 kJ能量，则10 min内增加了多少化学能? 。在电解池中产生了多少内能，在该实验中两极间流体的电阻是多大? 。解析：本题为化学、物理知识的综合题，考查学生对所学知识综合运用的能力。由实验装置图可以看出，A电极与电源负极相连，为阴极，水电离出的H向阴极移动，在阴极得电子发生还原反应2H2e=H2，故A管内生成氢气；B电极与电源正极相连，为阳极，水电离出的OH移向B电极，发生反应：4OH4e=2H2OO2，故B管内生成氧气，电极总反应式为：2H2O2H2O2。为了使水的电解速率加快，可在水中加入强电解质，选项中的H2SO4、HCl、NaOH、NaCl均为强电解质，但加入NaCl或HCl时，Cl优先在惰性阳极上放电(2Cl2e=Cl2)而生成氯气，不是氧气，故B、D选项不合题意，加入H2SO4、NaOH可达到目的。问题(5)从能量守恒的角度理解回答即可。(6)要计算A管中通电10 min所生成H2的量，须先求出10 min通过电路的电量。由于Q=It=0.1 A1060 s=60 C由2H 2e = H2 26021023161019C1 mol 60 C n(H2)n(H2)=3.11104 molV(H2)=3.11104 mol22.4 Lmol1697103 L=6.97 mL(7)E化=3.11104 mol2808 kJmol1873102 kJ873J由能量守恒求得电解池中产生的内能为：Q=E电E化=UItE化=6 V01 A600 s87.3 J=272.7 J由焦耳定律可得电解池内两极间的电阻为：R=45.5 答案：(1)氢 氧(2)2H2O2H2O2(3)A极：4H4e=2H2B极：4OH4e=2H2OO2(4)AC(5)在电解水的过程中消耗了电能，产生了化学能和内能。(6)6.97 mL(7)87.3 J；45.5 3.NaS电池(如图)是当前开发的一种高能蓄电池，它所贮存的能量为常用铅蓄电池的5倍(按相同质量计)，它具有运行无声、无污染、价廉、安全、使用寿命长以及维修费低廉等优点。常用的电池是由一个液体电解质将两个固体电极隔开，而NaS电池正相反，它是由固体电解质将两个液体电极隔开：一个由NaAl2O3固体电解质做成的中心管，将内室的熔融钠(熔点98)和外室的熔融硫(熔点119)隔开，并允许Na离子通过。整个装置密封于不锈钢容器内，此容器又兼作硫电极的集流器。在电池内部，Na离子穿过固体电解质和硫反应从而传递电流。350时，NaS电池的断路电压为2.08 V。已知硫的化学式为S8，在外电路中被还原成多硫离子。(1)写出NaS蓄电池的充放电的化学反应；(2)指明NaS蓄电池放电时的正、负极；(3)NaS电池的外室填充有多孔石墨，为什么？(4)当充电完全时，硫电极内部何种物质会增加？完全放电后电池内室又是什么物质？当再次充电时，中心室是什么物质？为什么？(5)如何判断NaS电池充放电完全？请提出你的设计方案。分析及解答：本题考查蓄电池的一些性质，充电时电能转化为化学能，作电解池；放电时化学能转化为电能，作原电池。由于反应可逆，反应物和生成物可以相互转化，以此解决本题的问题。(1)NaS蓄电池的充放电反应为：2Na(l)S8(l) Na2Sn。(2)NaS电池放电时为原电池，失电子发生氧化反应的为负极，得电子发生还原反应的为正极，因此放电时，S为正极，Na为负极。(3)由于中心管内室的熔融Na放出电子，通过外电路将S8还原成多硫离子，但由于硫是绝缘体，故在外室填充多孔石墨以保证有效电导。(4)由反应式看，当充电完全时，硫电极内局部地为硫所填充；完全放电后，则全部容积充满多硫化钠Na2Sn；再次充电时电池的极化作用正好相反，通电流迫使Na重新回到中心室，并在此放电成为Na原子。(5)由于NaS电池在350时的断路电压为2.08 V,即电池的电动势为2.08 V，我们可以用伏特表测定NaS电池的电动势：放电时，电动势降至某额定限量即充电；充电时电动势上升达某一额定限量(2.08 V)即停止充电。4.氨是最重要的氮肥，是产量最大的化工产品之一。我们在课本里学到的合成氨技术叫哈伯法，是德国人哈伯在1905年发明的。他因此获得了1918年度诺贝尔化学奖。哈伯法合成氨需要2050 MPa的高压和500的高温，并采用铁催化剂。近一个世纪了，全世界都这样生产氨。合成氨需要高温高压，似乎是天经地义了。然而，最近有两位希腊化学家在科学杂志上发表文章，在常压下把氢气和用氦稀释的氮气分别通入一个加热到570的电解池(如图)，氢气和氮气在电极上合成了氨，而且转化率达到了78%！对比哈伯法合成氨转化率仅10%15%，听起来真像天方夜谭。合成氨电解池请根据以上材料回答下列问题：(1)新法合成氨的电解池中能否用水溶液作电解质？为什么？(2)新法合成氨中所用的电解质(如上图中黑色细点表示)能传导H，试写出电极反应式和总反应式。分析及解答：题中有很多新信息，解题者只要抓住新信息，从新信息入手，就可以找到解题思路。(1)新法合成氨是在常压、570条件下进行的，联想到水在常压下沸点只有100，所以不能用水溶液作电解质(实际上是用某种固体电解质，xx年高考理科综合能力测试卷中曾出现了固体电解质)。(2)从题示信息可知，新法合成氨的原料仍是氮气和氢气，产物仍是氨。为了达到合成氨的目的，氢气应通入电解池的阳极，氮气应通入电解池的阴极。从题示新信息还可得到，所用电解池中的电解质能传导H，所以书写电极反应式时可以用H配平。综合以上几点可写出电极反应式为：阳极：3H26e=6H(生成的H通过电解质传导到阴极)。阴极：N26H6e=2NH3电解池的总反应式为：3H2N22NH3