电解原理的应用教学设计

第二课时电解原理的应用教学内容教学活动［引言］上节课我们学习了电解的原理，电解是通过电流引起化学反应的过程，即将电能转变成了化学能。电解的原理在工业上有哪些应用呢？这节课就向同学们介绍两个电解原理在工业上应用的事例.［板书］二、电解原理的应用［讲］电解饱和食盐水以制备烧碱、氢气和氯气，电解饱和食盐水的工业生产叫氯碱工业。［板书］1、电解饱和食盐水制烧碱、氢气和氯气［投影］实验装置实验装置实验装置及原理按上图装置，在U形管里倒入饱和食盐水，插入一根石墨棒做阳极，一根铁棒做阴极。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并用湿润的碘化钾淀粉试纸检验阳极放出的气体。接通直流电源后，注意管内发生的现象。［讲］在这个反应中，由于H＋在阴极上得到电子而生成H2，破坏了附近的水的电离平衡，促进了水继续电离，结果阴极区溶液里OH―浓度增大而呈碱性。［板书］(1)实验原理：阳极(放电顺序：Cl―>OH―)：2Cl―-2e==Cl2↑(氧化反应)阴极(放电顺序：H＋>Na＋)：2H＋+2e==H2↑(还原反应)总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑阴极阳极［注意］在学习电解食盐水的化学原理时，学生往往不容易理解碱为什么在阴极区生成。这点可以从H＋在阴极上大量被还原，从而引起水的电离平衡被破坏，来分析在阴极区积累大量OH―的理由。［板书］(2)工业制备方法---离子交换膜法［讲］由阳极、阴极、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。将电解槽隔成阴极室和阳极室和阴极室，它只允许阳离子(Na＋)通过，而阻止阴离子(Cl―、OH―)和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。［讲］其原料粗盐中含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO42―等杂质，不符合电解要求，因此必须经过精制。［投影］［讲］除杂质时所加试剂的顺序要求是Na2CO3必须在BaCl2之后，加入盐酸在过滤之后。［问］工业上为什么要对粗铜进行电解精炼呢？［学生活动］指导学生查找阅读教材中相关内容，请学生代表回答。［问］怎样利用电解的原理精炼粗铜呢？［板书］2、电解精炼铜粗铜作阳极，纯铜作阴极，用CuSO4溶液作电解液。［投影］见下页［学生活动］请学生讨论分析电解液中离子的种类，通电后溶液中离子的移动情况和阴极反应。［学生总结］CuSO4溶液中有Cu2+、H+、SO42-、OH-等四种离子,通电后Cu2+、H+移向阴极，SO42-、OH-移向阳极，阴极上Cu2+放电变成Cu聚集在阴极板（精铜）上。[板书]阴极(精铜)：Cu2+＋2e－＝Cu[讲]SO42-和OH-虽然移向了阳极，但是由于阳极板（粗铜）表面的Cu原子失电子能力强于二者，故阳极上Cu原子失电子被溶解。[板书]阳极(粗铜)：Cu－2e－＝Cu2+[问]粗铜中所含的杂质（如：Zn、Fe、Ni、Ag、Au等）是如何除去的呢？[讲］比铜活泼的金属杂质，在铜溶解的同时也会失电子形成金属阳离子而被溶解掉。如：Zn－2e－＝Zn2+；Ni－2e－＝Ni2+；由于这些离子比Cu2+难以还原，故它们不能在阴极上得电子析出而存留在溶液中。比铜不活泼的金属杂质，在铜失电子溶解时,不能失电子而溶解，故它们以单质形式沉积于电解槽底部，形成阳极泥。［板书］比铜活泼的金属杂质——以阳离子形式留于溶液中比铜不活泼的金属杂质——形成阳极泥［投影］播放课前制作的多媒体课件,模拟电解精炼铜的过程中两极和电解液中离子的变化情况。［问］请大家根据两极上所发生的主要反应分析电解精炼铜过程中的电解液有无变化。［学生活动］学生分析、讨论并回答。［板书］电解精炼铜过程中CuSO4溶液的浓度基本不变。［过渡］以上我们学习了铜的电解精炼原理，下面我们再共同学习电解原理的另一个应用实例——电镀铜。［板书］3、电镀铜［问］什么是电镀？电镀的优点有哪些？［学生活动］指导学生查找阅读教材中相关内容，请学生代表回答。［板书］(1)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过程。(2)电镀的主要目的是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。(3)镀层金属：通常是在空气或溶液中不易起变化的金属，如Cr、Zn、Ag、Cu等［讲］电镀时，把待镀金属制品作为阴极；把镀层金属作为阳极；用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液。通低压直流电，阳极金属在溶液中成为阳离子，移向阴极，在阴极获得电子被还原成金属，在待镀件表面上覆盖上一层均匀光洁而致密的镀层。［讲］例如，钢铁是人们最常用的金属，但钢铁有个致命的缺点，就是它们易被腐蚀。防止钢铁发生腐蚀的一种最常用方法就是在其表面镀上其他金属，如锌、铜、铬、镍等。。［问］请大家根据电解精炼铜过程中所发生的两极反应，选择在铁制品上镀铜装置的阴极材料、阳极材料和电镀液。［学生活动］学生分析、讨论并回答。［板书］(4)在铁制品上镀铜：阳极——铜阴极——铁制品电镀液——CuSO4溶液原理：阳极(Zn)Zn-2e==Zn2+阴极(Fe)Zn2++2e==Zn［讲］阳极的锌不断氧化成Zn2+进入溶液，阴极溶液中Zn2+被还原成锌镀层，因此电镀液中C(ZnCl2)保持不变。［讲］电镀的特点是“一多、一少、一不变”。一多指阴极上有镀层金属沉积，一少指阳极上有镀层金属溶解，一不变指电解液浓度不变。［讲］这里还需要我们注意的是，电镀生产过程中产生的废水、废气、废渣中含有多种对环境有害的物质，处理后应符合国家规定的排放标准，对其中的有用成分要回收利用。［过］Na、Mg、Al等活泼金属都可用电解它们的熔融盐或氧化物制得。这种方法是利用电解法来冶炼活泼金属，我们将其称之为电冶金。［板书］4、电冶金(1)本质：利用电解使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来(2)适用范围：制取活泼金属单质，如电解NaCl、MgCl2、Al2O3制取Na、Mg、Al［小结］本节课我们学习了铜的电解精炼和电镀铜的知识，铜的电解精炼类似于“在铜上镀铜”，故掌握电镀的原理是本节的重点。下面请同学们根据所学知识填写课前所发放的表格。［投影］原电池、电解池与电镀池的比较原电池电解池电镀池定义将化学能转变成电能的装置将电能转变成化学能的装置应用电解原理在某些金属表面上镀一层其他金属的装置形成条件活泼性不同的两电极连接，电解质溶液，形成闭合电路两电极接直流电源，并插入电解质溶液中，形成闭合回路镀层金属接电源正极，待镀金属接电源负极，电镀液必须含有镀层金属的离子电极名称负极：较活泼金属正极：较不活泼金属或能导电的非金属阳极：与电源正极相连阴极：与电源负极相连同电解池，但阳极：必须是镀层金属阴极：镀件电极反应负极：氧化反应，金属失电子正极：还原反应，溶液中阳离子得电子阳极：氧化反应，溶液中的阴离子失电子，或电极金属失电子阴极：还原反应，溶液中的阳离子得电子阳极：金属电极失电子阴极：电镀液中阳离子得电子电子流向负极—导线—正极电源负极—导线—阴极—(阳离子向阴极移动，得电子；阴离子向阳极移动，失电子)—阳极—电源正极知识结构与板书设计二、电解原理的应用1、电解饱和食盐水制烧碱、氢气和氯气(1)实验原理：阳极(放电顺序：Cl―>OH―)：2Cl―-2e==Cl2↑(氧化反应)阴极(放电顺序：H＋>Na＋)：2H＋+2e==H2↑(还原反应)总反应：2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑阴极阳极(2)工业制备方法---离子交换膜法2、电解精炼铜粗铜作阳极，纯铜作阴极，用CuSO4溶液作电解液。阳极(粗铜)：Cu－2e－＝Cu2+阴极(精铜)：Cu2+＋2e－＝Cu比铜活泼的金属杂质——以阳离子形式留于溶液中比铜不活泼的金属杂质——形成阳极泥电解精炼铜过程中CuSO4溶液的浓度基本不变。3、电镀铜(1)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过程。(2)电镀的主要目的是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。(3)镀层金属：通常是在空气或溶液中不易起变化的金属，如Cr、Zn、Ag、Cu等(4)在铁制品上镀铜：阳极——铜阴极——铁制品电镀液——CuSO4溶液原理：阳极(Zn)Zn-2e==Zn2+阴极(Fe)Zn2++2e==Zn4、电冶金(1)本质：利用电解使矿石中的金属离子获得电子，从它们的化合物中还原出来(2)适用范围：制取活泼金属单质，如电解NaCl、MgCl2、Al2O3制取Na、Mg、Al教学反思：【随堂练习】1.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金属铜作阳极D.电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极解析:铜锌原电池中,铜不活泼,应作正极,A项错误。在电镀或电解精炼铜时,需要将溶液中的Cu2+还原成金属铜析出,用作向溶液供给Cu2+的粗铜则必须作阳极,B项错误,C项正确。电解H2SO4溶液时,金属铜如果作阳极,它将以Cu2+的形式被溶解而进入电解质溶液,当电解质溶液内有H+和Cu2+时,后者将在阴极上放电,D项错误。答案:C2.下列叙述正确的是()A.电镀时,通常把待镀的金属制品作阳极B.氯碱工业是电解熔融的NaCl,在阳极能得到Cl2C.氢氧燃料电池(酸性电解质)中O2通入正极,电极反应为O2+4H++4e-2H2OD.下图中电子由Zn极流向Cu,盐桥中的Cl-移向CuSO4溶液解析:电镀时,镀层金属作阳极,镀件作阴极;氯碱工业电解的是饱和食盐水而不是熔融的NaCl;氢氧燃料电池中O2为氧化剂通入正极;D中的装置为原电池,电子由负极经导线流向正极,盐桥为内电路,阴离子移向负极。答案:C3.下面有关电化学的图示,完全正确的是()解析:A为原电池时锌应为负极;B为电解法精炼铜的装置,粗铜应为阳极;C为电镀池,镀件铁片应该为阴极;D为电解饱和食盐水并检验其产物的装置,电流流入的一极为阳极,阳极析出氯气,可用碘化钾淀粉溶液检验氯气,阴极析出的氢气,可用向下排空气法收集。答案:D4.关于电解NaCl水溶液,下列叙述正确的是()A.电解时在阳极得到氯气,在阴极得到金属钠B.若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液,溶液呈棕色C.若在阴极附近的溶液中滴入酚酞溶液,溶液呈无色D.电解一段时间后,将全部电解液转移到烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性解析:电解食盐水时发生的反应:阳极:2Cl--2e-Cl2↑阴极:2H2O+2e-H2↑+2OH-总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑对照分析选项,A错误;阳极附近的溶液中会溶有少量的Cl2,滴加KI溶液后发生反应:Cl2+2I-I2+2Cl-,溶液呈棕色,B正确;阴极附近产生大量的OH-,滴加酚酞后变红色,C错误;电解后生成NaOH,溶液呈碱性,D错误。答案:B5.关于镀铜和电解精炼铜,下列说法中正确的是 ()A.都用粗铜作阳极、纯铜作阴极B.电解液的成分都保持不变C.阳极反应都只有Cu-2e-Cu2+D.阴极反应都只有Cu2++2e-Cu解析:A项电镀时镀件作阴极;B项电解精炼铜时电解液成分改变;C项电解精炼铜时,杂质若有比铜活泼的金属(如锌),则还会发生Zn-2e-Zn2+的反应。答案:D6.工业上由二氧化锰制备KMnO4可分两步进行:①二氧化锰与氢氧化钾共熔后通入O2:2MnO2+4KOH+O22K2MnO4+2H2O;②电解锰酸钾溶液:2K2MnO4+2H2O2KMnO4+H2↑+2KOH。下列叙述中正确的是()A.在反应②中K2MnO4作氧化剂B.每生成1molKMnO4共转移6mol电子C.第②步电解时,阴极周围溶液的pH减小D.第②步电解时,KMnO4在阳极区生成解析:每生成1molKMnO4共转移3mol电子,故B项错误;②中电解锰酸钾溶液时,在阴极H2O得电子生成H2,同时生成OH-,故pH增大,C项错误;根据氧化还原反应原理,在第②步电解时,在阳极K2MnO4被氧化为KMnO4,因此K2MnO4作还原剂,故A项错,D项正确。答案:D7.欲在金属表面镀银,应把镀件挂在电镀池的阴极。下列各组中,选用的阳极金属和电镀液均正确的是 ()A.Ag和AgCl溶液 B.Ag和AgNO3溶液C.Fe和AgNO3溶液 D.Pt和Ag2SO4溶液解析:电镀槽中,要求镀件作阴极,可用镀层金属作阳极,电镀液通常采用含有镀层金属离子的盐溶液,A、D项中AgCl和Ag2SO4均为沉淀,只有B项符合要求。答案:B8.下列图示中关于铜电极的连接错误的是()解析:铜锌原电池中锌作负极,铜作正极,A正确;电解精炼铜时,粗铜作阳极,精铜作阴极,B正确;镀件上镀铜时,铜作阳极,镀件作阴极,C错误;电解氯化铜溶液时,石墨作阳极,铜作阴极,D正确。答案:C9.如图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b<d。符合上述实验结果的盐溶液是()选项XYAMgSO4CuSO4BAgNO3Pb(NO3)2CFeSO4Al2(SO4)3DCuSO4AgNO3解析:A项电解池Ⅰ中相当于电解水,b上有气体生成,电极质量不变;B项,b上产生Ag,d上产生Pb,二者物质的量之比为2∶1,增重b>d;C项,两电解池中都相当于电解水,b、d上都有气体生成,两电极质量不变;D项,b上产生Cu,d上产生Ag,二者物质的量之比为1∶2,增重b<d。答案:D10.常温时,将500mLpH=a的CuSO4和K2SO4的混合溶液用石墨电极电解一段时间,测得溶液的pH变为b(假设溶液体积的变化忽略不计),在整个电解过程中发现始终只有一个电极有气体产生。下列说法错误的是()A.若使溶液恢复到电解前的浓度可以向溶液中加20(10-b-10-a)gCuCO3B.b<a<7C.阳极电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+D.整个过程中是阳极产生氧气,阴极析出铜单质解析:本题的关键是在整个电解过程中发现始终只有一个电极有气体产生,则整个过程中是阳极产生氧气,阴极析出铜单质。要恢复到电解前的溶液就要将氧气和铜的质量转化为CuO或CuCO3,需要20(10-b-10-a)gCuO。考虑到Cu2+的水解,a<7,电解过程中生成H+,则b<a。答案:A11.铝和氢氧化钾都是重要的工业产品。请回答:(1)工业冶炼铝的化学方程式是。

(2)铝与氢氧化钾溶液反应的离子方程式是

。

(3)工业品氢氧化钾的溶液中含有某些含氧酸杂质,可用离子交换膜法电解提纯。电解槽内装有阳离子交换膜(只允许阳离子通过),其工作原理如图所示。①该电解槽的阳极反应式是。

②通电开始后,阴极附近溶液pH会增大,请简述原因。

③除去杂质后的氢氧化钾溶液从溶液出口(填写“A”或“B”)导出。

解析:离子交换膜法电解提纯KOH时,阳极反应为:4OH--4e-2H2O+O2↑,阴极反应为:4H2O+4e-4OH-+2H2↑。电解过程中阳极附近的K+通过阳离子交换膜向阴极移动,含氧酸根离子不能通过离子交换膜。一段时间后,阴极附近K+、OH-浓度变大,从B处(阴