电解原理及应用

2024-08-24

电解原理及应用（精选7篇）

电解原理及应用篇1

一、从装置形成角度理解电解池的构造

电解池的构造为:电源、电解质溶液、两个电极、闭合回路.确定电解池时主要看是否有外加电源或外接原电池:⑴如有外电源, 则串联或并联的装置都为电解池, 按电解池电极的判断方法进行;⑵如没有外电源, 则能自发发生氧化还原反应的装置为原电池, 不能自发发生氧化还原反应或都为惰性电极的装置为电解池, 然后分别判断.

例1烧杯A中盛放H2SO4溶液, 烧杯B中盛放Cu Cl2溶液 (两种溶液均足量) , 装置如图1所示, 下列说法不正确的是 ()

(A) A为原电池, B为电解池

(B) A为电解池, B为原电池

(D) 一段时间, B烧杯中溶液的p H上升

解析:A中Fe能与稀硫酸自发反应, 故A装置为原电池装置;B中两极都为C, 不能自发发生反应, 故B装置为电解池装置.Fe为负极, 故烧杯B中与Fe相连的C极为阴极:Cu2++2e-=Cu, 选项 (B) 、 (C) 错误;选项 (D) , 原氯化铜溶液水解呈酸性, 随着电解的进行, 溶质不断减少, 溶液酸性减弱, p H上升.

答案: (B) (C)

二、从电极判断角度理解电解原理

电极的判断主要有: (1) 看电源的正负极:与电源负极相连的极为阴极, 与电源正极相连的极为阳极; (2) 看电子的流向:阳极→电源正极, 电源负极→阴极 (电流方向相反) ;⑶看离子的流向:阳离子移向阴极, 阴离子移向阳极;⑷看两极的反应类型:阳极失电子发生氧化反应, 阴极得电子发生还原反应;⑸看现象:如果两极中有一极增重, 则这一极为阴极.其他现象也可判断.

例2图2是电解Cu Cl2溶液的装置, 其中c、d为石墨电极.则下列有关的判断正确的是 ()

(A) a为负极、b为正极

(B) a为阳极、b为阴极

(D) 电解过程中, 氯离子浓度不变

解析:由电流方向知, a为电源的正极, b为电源的负极, c为电解池的阳极, d为电解池的阴极.电解过程中, Cl-在阳极放电生成Cl2放出, 使溶液中的氯离子浓度减小, Cu2+在阴极放电生成Cu, 使阴极质量增加.

答案: (C)

三、从放电顺序角度理解电解规律

溶液中的离子得失电子时存在一定的规律, 在解题时要充分考虑放电顺序.常见的有:阴离子:Cl->OH-, 阳离子:Ag+>Cu2+>H+等.

例3某溶液中含有两种溶质:氯化钠和硫酸, 它们的物质的量之比为3∶1, 用石墨电极电解该溶液.下列叙述不正确的是 ()

(A) 阴极只析出氢气

(B) 阳极先析出氯气后析出氧气

(D) 电解过程中溶液的p H不断增大, 最终溶液的p H为7

解析:溶液中含有的阳离子有Na+、H+, 阴离子有:OH-、Cl-、SO42-, 根据放电顺序可知, 阳极开始为:2Cl--2e-=Cl2↑, 当Cl-完全放电后, 为:4OH--4e-=O2↑+2H2O, 阴极始终为:2H++2e-=H2↑, 故最终阶段实质上为电解水.由于Cl-与硫酸中的H+的物质的量之比为3∶2, 故溶液最终呈碱性.

答案: (D)

四、从溶液恢复角度理解电解规律

一般而言, 用惰性电极电解溶液时, 若属于电解溶质型, 则恢复时需要加入原溶质;若属于电解水型, 则恢复时需要加入水;若属于溶质和水一起电解, 如电解Na Cl、Cu SO4分别需要加入HCl、Cu O.若电解时发生了过度电解, 即原溶质电解完以后又继续电解水, 此时要恢复到原溶液时应比正常所加的物质多一些水, 如电解Na Cl、Cu SO4可能需要加入盐酸、Cu (OH) 2.

例4用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液, 通电一段时间后, 向所得的溶液中加入0.1mol Cu (OH) 2后恰好恢复到电解前的浓度和p H.则电解过程中转移的电子数为 ()

(A) 0.4 mol (B) 0.3 mol (C) 0.2 mol (D) 0.1 mol

答案: (A)

电解原理及应用篇2

1.金属导电与电解质导电在本质上有什么不同？

金属晶体由金属原子、金属离子、自由电子三种微粒构成。金属离子带正电荷、自由电子带负电荷，通过静电作用力——金属键，使这些微粒结合在一起。自由电子是指脱离金属原子在整块金属晶体中做无规则运动的电子。在电场作用下，自由电子由负极移向正极形成电子流。这就是金属导电的本质，导电时金属原子和金属离子都是不移动的。金属导电属物理变化。

电解质在溶于水时，能电离出带电荷的自由阴、阳离子，属于离子型化合物的某些电解质在熔化时也能电离出自由离子。在电场作用下，这些自由离子做定向移动并在两极上分别得失电子，阳离子移向阴极得到电子，阴离子移向阳极交出电子，这样在外电路的导线中有自由电子定向移动形成了电子流。而在电解质或电解质溶液中只有自由离子分别向两极移动，而没有电子移动。在离子得失电子的同时，伴随着发生了化学变化。

2.电解与电离有什么区别和联系？

电解与电离是两种不同的概念，但它们之间有一定的联系。

电离是指电解质在溶解于水或熔化条件下离解成自由离子的过程。这过程不需要通电，电离的过程主要是物理变化过程。

电解是指对电解质水溶液或融熔状态的电解质通直流电时、自由离子在两极上发生氧化—还原的过程。电解时必须通电，电解过程是化学变化过程。电解质导电的过程，也就是电解的过程。

电离是电解的前提条件，只有电解质先电离出自由离子，通电时才能发生电解。如对食盐晶体通电，食盐晶体不导电，也不发生电解；如对熔融食盐液体通电，液态食盐导电，同时钠离子在阴极得电子被还原成钠原子，氯离子在阳极交出一电子被氧化成氯原子，又结合成氯分子。电解食盐水溶液时，得到氯气、氢气和氢氧化钠。

3.用惰性电极电解电解质溶液时溶液的pH变化及电解的类型有如下规律

4.原电池、电解(镀)电极名称的确定(1)确定原电池电极名称的方法

方法一：根据原电池电极材料的性质确定。通常是：

①对于金属—金属电极，活泼金属是负极，不活泼金属是正极；

②对于金属—非金属电极，金属是负极，非金属是正极，如干电池等；

③对于金属—化合物电极，金属是负极，化合物是正极，如电池等。

方法二：根据电极反应的本质确定：原电池中，负极向外电路提供电子，所以负极上一定发生失电子的氧化反应，正极上则一定发生得电子的还原反应。所以，失电子的反应→氧化反应→负极；得电子的反应→还原反应→正极。

(2)确定电解(镀)池电极名称的方法

确定电解(镀)池电极名称有如下两种方法

方法一：与外电源正极连接的一极是阳极，与负极连接的一般是阴极。方法二：电极上发生氧化反应的是阳极，发生还原反应的是阴极。5.重金属引起的水污染

重金属污染可用下表表示：

6.电解质与水的电解纯水是极弱的电解质，很难导电。在纯水中通以直流电，在一般条件下不发生电解作用。如果在水中加入强的含氧酸(如H2SO4)、活泼金属的可溶性含氧酸盐(如Na2SO4、KNO3)或可溶性强碱(如NaOH、KOH)，以增加水的导电性，则电解就能顺利进行，阴、阳两极上的产物分别为氢气和氧气。

现以纯水中加入Na2SO4通电分解为例来说明这个问题。当Na2SO4溶于水时，即完全离解为Na和SO＋。

Na2SO4===2Na＋SO

＋

虽然水是弱电解质，但是也能发生微弱的电离。

H2O

＋

H＋OH

＋

＋－因此，在水溶液中存在着四种离子：Na、H、SOH向阴极迁移，SO＋

－

和OH。通入直流电后，Na和

－＋和OH向阳极迁移。但在各个电极上究竟是哪一种离子放电，则取决于它们电极电位的高低，也就是说，取决于离子得失电子的难易。根据上述四种离子的标准电极电位是：

2H＋2eNa＋e4OH2SO－＋－＋－

H2, Na，－

E°=0.000伏 E°=－2.71伏 E°=＋0.401伏 E°=＋2.00伏

＋O2＋2H2O＋4e, S2O＋

＋2e，＋

－在阴极上，由于Na比H难于接受电子，因此H放电而产生氢；在阳极上由于SO比OH难于失去电子，因此OH放电而产生氧，这样的过程，图示如下：－

－

可见在水中加入的Na2SO4并不发生电解，它的阴、阳两种离子依然存留在溶液中，实际上电解的是H2O,Na2SO4在这里只是起着导电的作用。

＋－由于H和OH分别不断地在阴、阳两极上放电，H2O的电离平衡就不断地向生成离子的方向移动，H2O

－

H＋OH

＋

＋－于是H2O不断地电解，OH就不断地聚集在阴极区(Na也聚集在这里)，显然这里的溶液就呈碱性；同样，H也不断地聚集在阳极区(SO＋

也聚集在这里)，显然这里的溶液就呈酸性。

＋从这个例子，可知碱金属离子在阴极上总是比H难于放电，含氧酸根离子在阳极上，－也总是比OH难于放电。所以在水中加入可溶性的碱金属含氧酸盐，或强的含氧酸，或可

＋－溶性的强碱，通以直流电，都是H和OH放电，而所加的电解质仅是起着导电的作用。

*研究性课题推荐

课题1 皮革厂含铬废水处理的调查背景资料：

铬在很多领域有较大用途。铬化合物中，Cr(Ⅵ)主要以CrO

(溶液为黄色)和Cr2O

＋

(溶液为红色)形态存在，在酸性条件下具有很强的氧化性，能被还原剂还原成Cr3(溶液为紫色)；Cr(Ⅵ)化合物水溶性很强，而铬(Ⅲ)化合物水溶性很低。铬对环境造成污染，其中，Cr(Ⅵ)的毒性比铬(Ⅲ)的毒性强200倍。

对含铬废水的常用的处理方法有：(1)方法一：电解法。

①往工业废水中加入适量食盐，增加污水中离子浓度，增强导电能力。②以铁作为阳极进行电解。

以生成的Fe2为还原剂，在酸性溶液中与Cr2O＋＋

＋

发生氧化还原反应。这样Cr2O被还原成Cr3。在电解过程中，由于H在阴极不断放电，打破了水的电离平衡，促进水的电离，溶液的pH上升，溶液中的阳离子以Cr(OH)

3、Fe(OH)

2、Fe(OH)3形成沉淀。

③鼓入空气。经过一段时间后，使废水中含铬量降到可排放的标准。

由于Fe(OH)3开始沉淀的pH为2.7，沉淀完全的pH为3.7。Fe(OH)2开始沉淀的pH为7.6,沉淀完全的pH为9.6,并且Fe(OH)2呈絮状，不易从溶液除去。但根据已学的知识，Fe(OH)2极易被O2氧化，所以在处理过程中鼓入空气，让空气中的O2充分与Fe(OH)2反应，成为容易分离的Cr(OH)

3、Fe(OH)3，使废水含铬量降到可排放标准。

(2)方法二：

用FeSO7·7H2O处理含铬(Ⅵ)有毒废水是目前工艺上常用的方法。它的优点是经过加料配比后，可使最终的固体产物成为制备铁氧体复合氧化物(可用Cr

Fe2O4表示)的＋原料，此原料经烧结后，就得到铁氧体复合氧化物。这是一种变害为利的方法。

方法三：

制革厂排放的污泥中约有1/3是有机物，其余是大量的含铬物质，直接排放污泥会对环境造成污染。1996年，外国科学家研究成功了一种技术，较好地解决了制革厂废物利用与环境保护问题。工艺流程如下：

① 污泥与普通黏土以一定比例混合(污泥占25%～30%)后制成砖坯，在窑中以850～ 950℃温度灼烧；

②灼烧前期向窑中鼓入补充了氧气的空气。原因是烧掉有机物，否则无法制成火砖；燃烧有机物在氧气充足的条件下进行，放出足够热量，可节省燃料；

③灼烧后期改用普通空气，且故意限制入窑空气的数量，使呈缺氧状态。原因是保证＋6价铬化合物转变成＋3价铬化合物，并稳定地以＋3价铬化合物形式被固定在火砖内，否则，如以＋6价铬化合物存在，则在雨水淋湿或施工淋水时，铬会被溶解出来而污染环境；

④烧制完成后，直至窑温降至200℃以下，才允许空气自由流通。课题要求：

1.请调查当地的皮革鞣制厂，了解它们对含铬废水处理的技术情况。2.比较该技术与现今流行技术的差异； 3.根据所学知识提出你的意见和建议。课题2：生活中使用电镀制品的调查

电解原理及其应用篇3

电解池是一种将电能转变成化学能的装置, 它由电源、电解质溶液、两个电极构成闭合回路.电解原理在生产生活中有很多应用.

一、电解的有关知识

1.电极的判断

(1) 看电源的正负极:与电源负极相连的极为阴极, 与电源正极相连的极为阳极.

(2) 看电子的流向:电源负极→阴极→电解质溶液→阳极→电源正极 (电流方向相反) .

(3) 看两极发生的反应类型:阳极失电子发生氧化反应, 阴极得电子发生还原反应.

2.电解时电极产物的判断

(1) 阳极产物

①活性材料作电极 (金属活动性顺序表Ag以前) 时, 金属材料本身在阳极失电子被氧化成阳离子进入溶液, 阴离子不容易在电极上放电.

②用惰性电极 (Pt、Au、石墨、钛等) 时, 要看溶液中阴离子的失电子的能力.阴离子的放电顺序是:OH-<Cl-<Br-<I-<S2-, 一般情况下, SO $_{4}^{2 -}$ 、NO-3等含氧酸根不放电.

(2) 阴极产物

无论是惰性电极还是活性电极都不参与电极反应, 发生反应的是溶液中的阳离子.阳离子的放电顺序是:Ag+>Cu2+>H+>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+> (H+) (水) , 一般情况下, Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+在溶液中不会放电.

3.用惰性电极电解电解质溶液的规律

二、电解原理的应用

1.制取消毒液

例1 (2002年上海市) 某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器, 用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液, 通电时, 为使Cl2被完全吸收, 制得有较强杀菌能力的消毒液, 设计了如图1的装置, 则对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是 ( )

(A) a为正极, b为负极;NaClO和NaCl

(B) a为负极, b为正极;NaClO和NaCl

(D) a为阴极, b为阳极;HClO和NaCl

解析:电解饱和NaCl溶液的电极反应式分别为:阴极:2H++2e-H2↑

阳极:2Cl--2e-Cl2↑

总反应式: $2 Ν a C l + 2 Η_{2} Ο =_{}^{通电} Η_{2} ↑ + C l$ 2↑+2NaOH

H2和NaOH都在阴极生成, 而由题意知, 家用消毒液的主要成分是NaClO和NaCl, 它是由NaOH与Cl2反应后得到的.要想使Cl2被完全吸收, 必须保证Cl2不能从上端的管口逸出, 因而Cl2应该在如图装置的下端产生, 即下端为阳极, 故b为正极, a为负极.所以答案为 (B) .

2.电镀

例2 (2002年试测) 右图A为直流电源, B为渗透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸, C为电镀槽, 接通电路后, 发现B 上的 c 点显红色, 请填空:

(1) 电源A的a为____极.

(2) 滤纸B上发生的总反应方程式为:.

(3) 欲在电镀槽中实现铁上镀锌, 接通K点, 使c、d两点短路, 则电极e上发生的反应为:, 电极f上发生的反应为:, 槽中盛放的镀液可以是或 (只要求填两种电解质溶液) .

解析:由B上c点变红知, 滤纸B上饱和食盐水发生了电解, 在c点处生成了碱, 可确定c为阴极, 从而确定b为负极, a为正极.电镀是一种特殊情况下的电解, 它要求阳极为镀层金属, 阴极为镀件, 电解质溶液必须含有镀层金属的离子.由于a为正极, 因此e为阳极, 锌失电子;f为阴极, 溶液中的Zn2+得电子, 镀液只要是可溶性锌盐即可.

答案: (1) 正 $(2) 2 Ν a C l + 2 Η_{2} Ο =_{}^{通电} Η_{2} ↑ + C l$ 2↑+2NaOH (3) Zn-2e Zn2+, Zn2++2eZn, ZnSO4溶液或ZnCl2溶液

3.电解精炼

例3 (2005年天津) 金属镍有广泛的用途.粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质, 可用电解法制备高纯度的镍, 下列叙述正确的是 (已知:氧化性Fe2+<Ni2+<Cu2+) ( )

(A) 阳极发生还原反应, 其电极反应式:Ni2++2e-Ni

(B) 电解过程中, 阳极质量的减少与阴极质量的增加相等

(D) 电解后, 电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt

解析:依据电解反应规律, 镍精炼时粗镍做阳极, 此极发生氧化反应, 按金属还原性强弱依次失电子:Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+, Cu、Pt还原性小于镍, 不会发生反应, 它们以阳极泥的形式沉在电解槽的底部, 所以 (A) 错误, (D) 正确.纯镍做阴极, 电解质溶液必须含有Ni2+, 由于Ni2+的氧化性强于Zn2+、Fe2+, 所以阴极反应只有Ni2++2e-Ni, 因此 (B) 、 (C) 错误.

四、冶炼和提纯金属

例4 (2006年北京理综) 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根杂质, 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除去杂质后氢氧化钾溶液从液体出口 (填写“A”或“B”) 导出.

解析: (1) 工业上通过电解氧化铝来制取铝: $2 A l_{2} Ο_{3} =_{}^{通电} 4 A l + 3 Ο_{2} ↑$ , 不用氯化铝是因为氯化铝是共价化合物, 在熔融时不导电.第 (2) 题比较简单:2Al + 2OH-+2H2O 2AlO-2+ 3H2↑. (3) 阴离子OH-在阳极放电:4OH--4e-2H2O+O2↑;水电离出的阳离子H+在阴极放电:4H++4e-2H2↑, 因此c (H+) 减小, 将促进水的电离, 所以OH-浓度增大, pH增大.由于在阴极生成OH-, 阳离子交换膜只允许阳离子通过, K+将受吸引从阳极室进入阴极室, 因此除杂后KOH溶液从出口B导出.

5.氯碱工业

例5 (1998年上海市) 氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:

依据图4, 完成下列填空:

(1) 在电解过程中, 与电源正极相连的电极上所发生反应的化学方程式为____ , 与电源负极相连的电极附近, 溶液pH值____ (选填:不变、升高或下降) .

(2) 工业食盐含Ca2+、Mg2+等杂质.精制过程发生反应的离子方程式为 ____, ____ .

(3) 如果粗盐中SO $_{4}^{2 -}$ 含量较高, 必须添加钡式剂除去SO $_{4}^{2 -}$ , 该钡试剂可以是____ (选填A、B、C) .

(A) Ba (OH) 2 (B) Ba (NO3) 2 (C) BaCl2

(4) 为有效除去Ca2+、Mg2+、SO $_{4}^{2 -}$ , 加入试剂的合理顺序为____ (选填A, B, C) .

(A) 先加NaOH, 后加Na2CO3, 再加钡试剂

(B) 先加NaOH, 后加钡试剂, 再加Na2CO3

(5) 脱盐工序中利用NaOH和NaCl在溶解度上的差异, 通过____、冷却、____ (填写操作名称) 除去NaCl.

(6) 在隔膜法电解食盐水时, 电解槽分隔为阳极区和阴极区, 防止Cl2与NaOH反应;采用无隔膜电解冷的食盐水时, Cl2与NaOH充分接触, 产物仅是NaClO和H2, 相应的化学方程式为 .

解析:除杂时, 不能引入新的杂质, 因此Ca2+、Mg2+分别用Na2CO3、NaOH来沉淀;SO $_{4}^{2 -}$ 不能用Ba (NO3) 2来除.一般加入的物质都会过量, 因此先加的过量物质还必须要除去, 即过量的Ba2+要用CO $_{3}^{2 -}$ 来除, 过量的CO $_{3}^{2 -}$ 和OH-要用HCl来除, 所以只要Na2CO3在钡试剂后加即可.

答案: (1) 2Cl--2e-Cl2↑ 升高

(2) Ca2++CO $_{3}^{2 -}$ CaCO3↓ Mg2++2OH-Mg (OH) 2↓

(3) (A) 、 (C) (4) (B) 、 (C)

(5) 蒸发、过滤

$(6) 2 Ν a C l + 2 Η_{2} Ο =_{}^{通电} 2 Η_{2} ↑ + C l$ 2↑+2NaOH Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O

6.处理废水

例6 工业上处理含Cr2O $_{7}^{2 -}$ 的酸性工业废水用以下方法:①往工业废水中加入适量的NaCl, 搅拌均匀;②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;③过滤回收沉淀, 废水达到排放标准.试回答:

(1) 电解时的电极反应式:阳极____, 阴极____.

(2) 写出Cr2O $_{7}^{2 -}$ 转变成Cr3+的离子反应方程式:____.

(3) 电解过程中Cr (OH) 3和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.根据电解原理可判断:阳极为非惰性材料Fe, 发生氧化反应:Fe-2e-Fe2+.废水呈酸性, c (H+) 较大, 阴极发生还原反应:2H++2e-H2↑.在酸性溶液中, 阳极不断溶解下来的Fe2+将Cr2O $_{7}^{2 -}$ 还原成Cr3+, Fe2+被氧化成Fe3+:Cr2O $_{7}^{2 -}$ +6Fe2++14H+2Cr3++6Fe3++7H2O.随着电解的不断进行, c (H+) 逐渐减小, Cr3+和Fe3+在溶液中的水解程度逐渐增大, 最终从溶液中析出Cr (OH) 3和Fe (OH) 3沉淀.废水中先加入适量的NaCl是为了增强溶液的导电性.若将Fe电极改成石墨电极, 因石墨是惰性电极, 则溶液中的Cl-在阳极放电:2Cl--2e-Cl2↑, 溶液中无Fe2+, 也就无法将废水中的Cr2O $_{7}^{2 -}$ 还原而除去.

7.测定阿伏加德罗常数

例7 (1999年上海) 某学生试图用电解法根据电极上析出的物质的质量来验证阿佛加德罗常数值, 其实验方案的要点为:①用直流电电解氯化铜溶液, 所用仪器如图5;②在电流强度为I安培, 通电时间为t秒钟后, 精确测得某电极上析出的铜的质量为m克.试回答:

(1) 连接这些仪器的正确顺序为 (用图中标注仪器接线柱的英文字母表示.下同) .E接 __ , C接__ , __ 接F.实验线路中的电流方向为 __ →__ → __ → C→ __ → __ .

(2) 写出B电极上发生反应的离子方程式 __ ;G试管中淀粉KI溶液变化的现象为 __ ;相应的离子方程式是 __.

(3) 为精确测定电极上析出铜的质量, 所必需的实验步骤的先后顺序应是 __ . (选填下列操作步骤的编号)

①称量电解前电极质量 ②刮下电解后电极上的铜并清洗 ③用蒸馏水清洗电解后电极 ④低温烘干电极后称量 ⑤低温烘干刮下的铜后称量 ⑥再次低温烘干后称量至恒重

(4) 已知电子的电量为1.6×10-19库仑.试列出阿伏加德罗常数的计算表达式:

NA=____ .

解析:此题是将电解反应与实验相结合的综合题.根据电解原理和物理上的电学知识, 可以很简单地连接出线路图.电流方向与电子流出的方向相反, 即为:电源正极→阳极→电解质溶液→阴极→电源负极.B极为阳极, 发生氧化反应:2Cl--2e-Cl2↑, Cl2通入淀粉KI溶液中, 发生反应:Cl2+2I-2Cl-+I2, I2可使淀粉变蓝色.测定电极上析出的铜的质量时, 不需也不能将铜刮下, 只要称出反应前后两次的质量得到质量差即为铜的质量, 但要注意洗去铜上吸附的溶液并要确保铜上的水分全部干燥除去, 故②、⑤为错误操作.因为析出铜的物质的量为 $\frac{m}{64}$ mol, 转移电子的物质的量 $= \frac{m}{64} \times$ 2 mol, 则有:

$n (e^{-}) = \frac{m}{2} \times 2 = \frac{Ι \cdot t}{Ν_{A} \times 1.6 \times 10^{- 19}} .$

答案: (1) E接D、C接A、B接F F→B→A→C→D→E

(2) 2Cl--2e-Cl2↑ 变蓝色 Cl2+2I- $2 C l^{-} + Ι_{2} (3) ① ③ ④ ⑥ (4) Ν_{A} = \frac{64}{m} \times \frac{Ι t}{2 \times 1.6 \times 10^{- 19}}$

8.电解计算

例8 (1999年全国) 用惰性电极电解

M (NO3) x的水溶液, 当阴极上增重a g时, 在阳极上同时产生b L氧气 (标准状况) :从而可知M的原子量为 ( )

$\begin{array}{l} (A) \frac{22.4 a x}{b} (B) \frac{11.2 a x}{b} \\ (C) \frac{5.6 a x}{b} (D) \frac{2.5 a x}{b} \end{array}$

解析:用惰性电极电解硝酸盐溶液时, 两极发生的反应分别是:

阳极 4OH--4e-2H2O+O2↑

阴极 Mx++xe-M

根据守恒原理, 两极得失电子数相等, 所以得到: $\frac{a}{x} x = \frac{b}{22.4} \times 4$ , 解得 $x = \frac{5.6 a x}{b}$ , 故正确选项为 (C) .

练习:

1.pH=a的某电解质溶液中, 插入两支惰性电极通直流电一段时间后, 溶液的pH<a, 则该电解质可能是 ( )

(A) NaOH (B) H2SO4

2.按图6装置进行实验:A极是铜锌合金, B极为纯铜, 电解质中含有足量的铜离子.通电一段时间后, 若A极恰好全部溶解, 此时B极质量增加7.68 g, 溶液质量增加0.03 g, 则A合金中Cu、Zn原子个数比为 ( )

(A) 4∶1 (B) 3∶1

3.在25 ℃时, 将两个铂电极插入一定量的Na2SO4饱和溶液中进行电解, 通电一段时间后, 在阳极逸出a mol气体, 同时有w g Na2SO4·10H2O晶体析出, 若温度不变, 此时, 剩余溶液的溶质质量分数为 ( )

$\begin{array}{l} (A) \frac{w}{w + 18} \times 100 % \\ (B) \frac{w}{w + 36 a} \times 100 % \\ (C) \frac{71 w}{161 (w + 18 a)} \times 100 % \\ (D) \frac{7 w}{161 (w - 36 a)} \times 100 % \end{array}$

4.近年来研究表明, 高铁酸盐在能源、环境保护等方面有着十分广泛的用途.我国学者提出在浓KOH溶液中用电化学方法来制备高铁酸盐 (FeO $_{4}^{2 -}$ ) .电解装置如图7所示.总反应式为:Fe+2H2O+2OH-3H2↑+FeO $_{4}^{2 -}$ , 则下列说法中正确的是 ( )

(A) 阳极发生的电极反应为Fe+8OH--6e-FeO $_{4}^{2 -}$ +4H2O

(B) 正极发生的电极反应为6H2O+6e-3H2↑+6OH-

(D) 当收集到的气体为3.36 L (标准状态) 时, 获得的高铁酸钾的物质的量为0.1 mol

5.用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液, 通电一段时间后, 向所得的溶液中加入

0.1 mol Cu (OH) 2后恰好恢复到电解前的浓度和pH.则电解过程中转移的电子数为 ( )

(A) 0.4 mol (B) 0.3 mol

6.以石墨为电极, 电解1 L CuSO4和NaCl的混合溶液, 其中CuSO4和NaCl的物质的量之和为0.2 mol, CuSO4的物质的量占总物质的量的比值为x.

(1) 若x=0.5, 当Cu2+在阴极恰好全部析出时, 产生的气体是什么?物质的量为多少?所得溶液的pH为多少? (忽略溶液体积的变化)

(2) 电解一段时间后, 阴阳两极产生气体的物质的量恰好相等, 均为0.16 mol, 试求x值.

(3) 若Cu2+在阴极全部析出时, 阳极产生的气体是单一气体, 试求x的取值范围.

答案

1. (B) (C) 2. (B) 3. (D) 4. (A) (C)

$5 . (A) 6 . (1) p Η = 1 (2) x = 0.6 (3) x \leq \frac{1}{3}$

“电解原理”教学设计及实施篇4

“电解原理”是人教版选修4《化学反应原理》第四章第三节第一课时的教学内容。在必修2第二章第二节中,学生已经接触过简单的原电池知识;在选修4“化学反应原理”第四章第一、二节中,学生已经具有借助氧化还原理论、金属活动顺序和物理学中的电学知识判断电池正、负极以及设计原电池和书写原电池电极反应的能力。因此,在本节课中,可利用原电池原理的逆向应用,引出发明电解池的可能性;结合物理学中电子流向及化学中氧化还原相关知识,科学猜想两电极上的可能反应;然后让学生小组讨论以确定实验装置、动手实验以验证反应产物。使学生在探究中发现问题、在小结中提升理论。最后在“学会应用”中巩固知识、形成体系。

二、教学目标

1. 知识与技能

(1)了解电解池工作原理。

(2)学习科学探究的基本方法,提高科学探究的能力。

2. 过程与方法

电解氯化铜溶液的实验采用学生猜想、实验验证、分组讨论、师生总结的方法,让学生感受电能转化为化学能的科学事实,体验“科学猜想——实验验证——归纳总结——形成理论”的研究过程,增强对电解池工作原理的了解。

3. 情感态度价值观

(1)通过了解戴维发明电解法的化学史,感受科学家不畏艰难、勇于探索的科学精神。

(2)通过原电池工作原理到电解池工作原理的逆推,体验电化学知识间的相关性与渐进性,感受化学世界的奇妙与和谐。

(3)通过石墨作电极电解CuCl2溶液的实验探究,体验科学猜想的重要意义,发展学习化学的兴趣,培养严谨细致、务实求真的科学态度。

三、教学过程

1. 视频激疑

播放视频《电解法在元素发现过程中的重要地位》,通过知识的自然生长与过渡,激发学生探究电解原理的兴趣,同时赞赏化学家勇于探索的科学精神。回忆:什么是原电池?以石墨、锌、稀硫酸形成的原电池为例,其电极反应式及总反应式如何书写?

2. 科学猜想

通过猜想一:“Zn-2e-=Zn2+,那Zn2+如何变为Zn?这与原电池原理有何联系?谁来提供电子?”完成电解池原理与装置的初步猜想。

通过猜想二:“如果提供的电解质溶液是CuCl2溶液,电极均为石墨棒,请猜想并画出戴维装置的草图。利用这个装置,可能获得什么单质?这些单质分别在哪一个电极上生成?”引发电解池原理与装置的深入思考。

通过两次猜想,明了学情;培养学生的逆向思维及发现问题的意识。如果学生不能答出猜想二,再铺设如下思维台阶:

台阶一:通电前,CuCl2溶液中存在哪些离子?它们在溶液中如何运动?

台阶二:通电后,这些离子在溶液中的运动是否会发生变化?如何变化?

台阶三:通电后,移向各区域的离子可能发生什么反应?谁先反应?为什么?

3. 实验探究

布置学生利用桌面上的仪器和试剂证明自己的猜想,以此培养学生的实验动手能力及观察能力。

4. 合作学习

布置学生阅读课本P79第一段到P80第四段,思考以石墨作电极电解cucl2溶液的实验原理,然后小组讨论并完成原电池与电解池的对比。提醒学生注意以下关键词:电解、电解池(或电解槽)、阳极、阴极、放电、惰性电极、活泼电极。通过小组合作学习,培养学生阅读能力,学习从具体事实中抽象出规律或理论的科学研究方法。

5. 总结交流

各小组代表按通电前、通电后分析溶液中存在的离子及迁移情况并写出各电极反应式,教师评价并引导学生归纳知识,形成笔记。

6. 学会应用

布置练习:画出石墨为电极,电解NaCl溶液的装置图。

(1)请在图上标出:

①电源各电极的名称;

②电解池各电极的名称;

③电子流向。

(2)按通电前、通电后分析溶液中存在的离子及迁移情况。

(3)写出各电极反应式及总反应式。

7. 知识升华

教师提出质疑:如果电极不是石墨棒,电极反应会改变吗?让学生调换电源的正负极,观察实验现象。由此培养学生深入探究、实事求是的科学态度,引入活泼电极的介绍。

8. 课后延伸

安排如下两道练习,分别侧重于“动手”和“动脑”,让学生“二选一”选做一题。这样的设置既尊重学生个性差异,留给学生个性发展的空间,又完整复习了所学知识。

(1)今有两支黑色铅笔、两段导线、干电池、滤纸、培养皿、A、B、C三种溶液。请运用今天所学的知识,设计一个实验,让铅笔画出红线、蓝线。

(2)通过今天的学习,你有什么话想对戴维说吗?

—告诉他电解装置的原理?谈谈实验改进的方法?还是精神感召、思维碰撞……请利用网络(http://baike.baidu.com/view/1837049.htm等)、课外资料,整理所学知识,并给戴维写一封公开信。

四、课后反思

电解原理及应用篇5

关键词：血气电解质分析仪,检验仪器检修

1 工作原理

COMBISYSⅡ型血气电解质分析仪是德国ESCHWEILER(伊施华乐)公司生产的一种采用微处理器控制的全自动分析系统。能够对全血或血浆中的PH电解质和血气参数进行定量测量和计算。该机外观设计精巧,操作简单易懂,进样量由一个光栅传感器控制,样品量约为50"L-80"L,测量系统由分离式可控电极模块组成,能够同时测量PO2,PCO2,K+,Cl-,Ca2+,Na+,Li+,HB,PH多种项目。一个固态温度调节器控制温度在37摄氏度,血气的定标与以往采用气标的传统血气分析仪式相比,该机采用了先进的液体定标技术,省去了气体钢瓶及气路系统。能够方便地进行质量追踪,自动化程度高,分为经济模式和正常模式。仪器可自动根据设定进行两点定标,离子定标可通过手动选择自动进行。与其它血气电解质机一样,该机由电路系统和管路系统组成,管路系统包括了电极,电磁阀,蠕动泵及各种管路。电路系统是由高度集成的单板机系统组成。全血在光栅传感器的控制下,进入了测量池。所有血气电极及离子电极浸泡其中,测量电极与参比电极共同完成对血气及各离子的测量。并将测量信号传至计算机系统进行计算。经过几分钟后,将结果用微型打印机打出。系统马上自动清洗管路,进入准备状态。

2 日常保养及电极保养

为使COMBISYSⅡ能够长时间稳定运行,有必要对仪器定期进行保养。

(1)日保养的项目:

检查清洗试剂瓶/包液位水平,检查废液瓶位水平,检查输入的坐标参数,检查温度气压,O2极化电压,REF参比电压,质控测试,检查打印纸。

(2)周保养

检查气增湿器液位水平。

(3)季度保养

执行电极保养,替换蠕动泵管,替换样品进行样口,替换空气过滤器。

(4)年保养替换传输管和常规仪器检查。

在所有的保养中,电极保养是最重要的,也是必须的,现重点介绍一下。定期在SENSOR-PARAMETERS菜单中打印出各电报参数,如发现电极参数有明显漂移上下极限,此时需要及时做电极保养。对PH,PO2,PCO2,电解质电极,参比电极都要定期检查内参液,一里内参液缺少或变质应及时更新。所有电极保养的移除工作都是一样的。程序如下:

⑴激活“GAS/REAGENT-TRANSPORT”(气体/试剂传输)程序,在服务菜单中。

⑵移开前面板。

⑶移开恒温器面盖。

⑷及时针方向旋松电极坚固螺丝。

⑸向上将电极连接电缆拔出。⑹向前将电极取出。

PH电极保养,保养过程如下:

(1)按照电板移除程序将p H电极从恒温器中取下。(2)旋下电极帽。

(3)向上将p H电极从电极套中取出。

(4)用一块干净的软麻蘸布蘸取少量电极清洁液擦试玻璃膜。(注意在清洁膜的时候不要将玻璃膜上的O型垫圈弄下来)

(5)将少量碳化硅撒在皮革软木上,并用几滴蒸溜水混合。

(6)将电极的玻璃头垂直方向抵在准备好的皮革软木上,轻轻地作划圈式研磨清洁。

(7)用一块干净的软麻布醮取少量电极清洁液擦试电极轴和玻璃膜。

(8)将电极放回电极套中,并将电极帽盖上旋紧。PO2,PCO2电极的保养过程如下:

⑴按照电极移除程序将电极从恒温器中取下。⑵旋下电极帽。

⑶向上将PO2或PCO2电极从电极套中取出。⑷轻轻地将电极组件旋出。

⑸用一块干净的软麻布醮取少量电极清洁液擦试电极轴,玻璃头和镀银圆环。

⑹将少量碳化硅撒在皮革软木上,并用几滴蒸馏水混合。

⑺将电极的玻璃头垂直方向抵在准备好的皮革软木上,轻轻的作划圆式研磨清洁。

⑻用一块干净的软麻布醮取少量电极清洁淮擦试电极轴,玻璃头和镀银圆环。

注意:⑹⑺⑻点建议不要用于PO2电极。

⑼滴(1~2)滴电极清洁液入新更换的电极模套中,并迅速将其甩干。

(电极清洁液的作用是防止注入由充液时形成气泡)

⑽往已准备好的电极模套中注入PO2电极由充液或PCO2电极由充液至划线处(大约7滴)要求均匀注入并排除气泡。

注意:不要过量超出划线刻度。

⑾将电极放回电极套中,并将电极帽盖上旋紧。注意:不要用手指堵住气孔一对Teflor膜有损害。

⑿用一块干净的软麻布蘸取少量电极清洁液擦拭模套和电极外表面,用一片黄色胶布(随同电极模套带有)封住通气孔。

⒀同样的用一块干净的软麻布醮取少量电极清洁液擦拭电极套内部。

⒁将电极部门由上往下放入电极套中,左右轻轻旋转直至长入恰当位置。

⒂盖上电极帽并轻轻旋紧。

3 故障检修

故障1该机进行定标后,冲洗时反复进行多次,不停机。

检修冲洗液不停地冲洗,怀疑样品传感器失灵,人为中断冲洗程序,连接3次“program”键,进入服务菜单,选择按键“7”进入传感器测试项目。没有注入样品前,显示传感器电压为1.892V正常。当用针管向注射口注入水后,电压值仍为1.892V,而正常值至少比1.892V小1V。可见,样品传感器失灵,联系更换该传感器后,故障排除。

故障2该机由于需要不断地自动定标,故从不断电。偶尔停电后,开机直接定标,做到Calibration Gas2即死机。

解决办法先开机。再按住ECO三秒后,机器内部CPU自动复位,重新输入Bag3 Bag4定标袋数据。进入菜单,重做Calibration后正常。

故障3运行一段时间后,几个电极出现Slope的错误报警。检修检查REF和该电极的内注液液位水平,正常。检查电解质传导液的颜色是棕色的,正常。如颜色变为灰白或银色就必须更换。检查电极套中无气泡,如有气泡,应去除。由于电极套膜更换时间不长,不应有问题。选择Service Program按“8”键进入去蛋白程序,用去蛋白液对仪器进行清洁,定标,故障排除。

故障4屏幕出现”not ready calbration cal 3”与”not ready wait a moment please”交替显示,不能进入定标。

检修关机,重启。同时按下ECO键。可进入主画面。填入bag3,bag4参数后,进行定标。定标完成。为检测其准确度,作质控检查。做的过程中,又出现上面的两个画面交替出现。且定标数据丢失,同时打印机打出”printest”.重复几次都如此。分析该现象有点像CPU反复重新启动。查电路图,CPU部分的供电是由开关电源产生的+5伏供给的。图中特别强调其供电范围在+5.15伏到5.25伏之间。测量本机只有+5.05伏左右。找到电压调整电位器,用数字万用表调到+5.20伏。开机,重新定标,故障排除。由于+5伏电压过低,某一瞬间降到CPU重启电压,就出现本例故障。

参考文献

[1]姜穗.OMNI C血气分析仪的原理及常见故障处理[J].医疗设备信息,2004,19(8):71-72.

[2]戴学斌.IL1303血气分析仪膜漏检测电路的原理及故障排除[J].医疗设备信息,2006(1):84.

[3]陈康.血气分析仪结构原理及其进展[J].医疗卫生装备,2006,27(11):67.

电解原理及应用篇6

一、电解总反应方程式的写法

惰性电极电解CuCl2、NaCl、CuSO4、KNO3、H2SO4、HCl、NaOH等溶液时, 电解总反应方程式可用以下写法, 现以电解CuCl2及NaCl溶液为例, 以此类推。 (假设反应物均足量)

1.以电解CuCl2溶液为例

第一步, 写出可能参加反应的反应物;

第二步, 将反应物展开成离子形式;

第三步, 将参与放电的离子写成生成物;

第四步, 将生成物中的离子组合成物质;

第五步, 删去两边未参加反应的物质;配平、注明条件、整理等。

【分析】

第一步:因为电极本身不参与反应, 所以必然是溶质和溶剂H2O参加反应。

第二步:将所有可能参与放电的离子表示出来。

第三步:根据离子放电顺序写出生成物, 剩余离子不变。

第四步:将方程式右边剩余的离子组合成物质。

第五步:因为左右两边重复的物质本质上未参与反应, 因此删去, 即得所有反应物和生成物;整理方程式 (条件、配平等) 即可。

同理, 电解HCl溶液的总反应方程式为:

2.以氯碱工业 (电解饱和NaCl溶液) 为例

第一步, 写出可能参加反应的反应物;

第二步, 将反应物展开成离子形式;

第三步, 将参与放电的离子写成生成物;

第四步, 将生成物中的离子组合成物质;

第五步, 删去两边未参加反应的物质;配平、注明条件、整理等。

同理, 易知:

电解CuSO4溶液:

电解H2SO4 溶液:

电解NaOH溶液:

电解KNO3溶液:

二、电解总反应方程式的应用

1.快速判断电解前后溶液pH的变化

以电解CuSO4溶液为例, 原溶液由于微弱水解而呈酸性, 电解后生成了强酸H2SO4, 所以pH减小。对于CuCl2 溶液和盐酸, 原溶液呈酸性, 由于电解本质上仅仅是溶质本身参加反应, 电解后溶质物质的量浓度减小, 酸性减弱, 所以pH增大。而对于H2SO4、NaOH、KNO3三种溶液, 由于电解本质上就是电解水, 因此电解后溶质物质的量浓度均增大, 所以H2SO4 溶液的酸性更强, pH减小;NaOH溶液的碱性更强, pH增大;而中性的KNO3 溶液依然呈中性, pH不变。

2.快速判断如何使电解后的溶液恢复到原状态

用惰性电极电解电解质溶液时, 若要使电解后的溶液恢复到原状态, 应遵循“缺什么加什么, 缺多少加多少”的原则, 一般加入阴极产物和阳极产物的化合物。

以电解CuSO4溶液为例, 由于电解生成了Cu和O2, 所以要使电解后的溶液恢复到原状态, 应向电解后的体系中加入CuO (当然加入CuCO3也可以) , 具体的量可以根据反应生成的Cu或O2的量进行计算。对于CuCl2 溶液, 由于电解只生成Cu和Cl2, 所以电解后向体系中加入适量CuCl2固体即可。又如, 分别电解H2SO4、NaOH、KNO3三种溶液, 由于电解本质上都是电解水, 所以分别向电解后的体系中加入适量的水即可恢复到原溶液的浓度。

3.进行有关电化学的计算

电化学计算中也可以根据写好的电解总反应方程式直接进行氧化还原反应分析, 从而根据转移电子守恒进行计算。由于所涉及的解题思想相对比较单一, 这里就不再赘述了。

三、教学实施过程中的感受与思考

对于以惰性电极材料为电极电解电解质水溶液, 其电解总反应方程式的写法, 如果从被电解的反应物来分类, 主要包括以下几类: (1) 本质是仅仅由溶质参加电解反应, 如电解CuCl2、HCl溶液; (2) 本质是仅仅由溶剂参加电解反应, 如电解H2SO4、NaOH、KNO3溶液; (3) 本质是由溶质阳离子和溶剂阴离子参加电解反应, 如电解CuSO4 溶液; (4) 本质是由溶质阴离子和溶剂阳离子参加电解反应, 如电解NaCl溶液。

笔者在教学过程中深刻体会到, 其实学生在书写这一类方程式时, 事先可以不进行分类, 只需要掌握阴、阳两个电极区常见离子的放电顺序, 依然可以顺利地将方程式表达出来。同时, 与一些课外常用辅导资料上对被电解的电解质溶液进行表格式分类相比, 这种方法显得更简洁明了, 学生易于掌握和应用。

笔者在教学一线刚好完成两轮高一到高三的化学教学。在第二轮教学中, 既教省理科实验班 (科技特长班) , 又教平行班, 在这个知识点的教学上, 两种不同层次的班级教学都收获了很好的教学效果。

知识是无止境的, 教学也是如此。我们只有不断地进行教学反思、总结, 不断地研究教材, 才能在已有的基础上找到更多新的教学切入点。

参考文献

[1]人民教育出版社, 课程教材研究所, 化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学 (选修4) [M].北京:人民教育出版社, 2007.

[2]人民教育出版社, 课程教材研究所, 化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书·化学 (选修4) 教师教学用书[M].北京:人民教育出版社, 2007.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准 (实验) [S].北京:人民教育出版社, 2003.

[4]王祖浩.化学反应原理[M].南京:江苏教育出版社, 2005.

[5]叶堃鹏, 胡志刚.浅议中学化学课堂的有效教学[J].化学教与学, 2014 (1) .

[6]沈世红.基于内容和学情的创新教学设计[J].化学教与学, 2013 (12) .

电解原理及应用篇7

固体电解质包括锂聚合物固体电解质和锂无机固体电解质。锂聚合物固体电解质特别是凝胶聚合物电解质的研究取得了很大的进展,凝胶聚合物电解质已成功应用于商业锂离子电池中[2]。锂离子无机固体电解质材料按照其物质结构可以分为晶体型固体电解质和玻璃态非晶固体电解质[3],其中玻璃态非晶固体电解质与晶体型固体电解质相比,前者具有组成变化宽、界面电阻小、粒子间的扩散通道连接比晶态材料容易的优点[4]。但玻璃及微晶玻璃固体电解质的研究在最近十几年才取得突破,而微晶玻璃电解质不仅具有陶瓷电解质化学稳定性好及易于加工成型的优点,而且还具有玻璃电解质离子电导率高、界面电阻小、致密性好的优点。因此,玻璃及微晶玻璃材料作为固体电解质在全固态电池中的应用很有潜力[5,6],近年来, 美国、日本等国家已纷纷致力于玻璃态锂无机固体电解质的研究与应用。

要实现玻璃态锂无机固体电解质在全固态锂及锂离子蓄电池中的应用, 设计并合成电导率高、热稳定性好、化学与电化学稳定的玻璃态锂无机固体电解质具有非常重要的意义[7]。本文就近些年来国内外对玻璃及微晶玻璃固体电解质的研究情况,以及其在全固态电池中的应用进行了综述。

1 锂离子玻璃固体电解质

由于晶态物质中锂固体电解质的性能都不尽人意,因此人们试图寻找其它原料,如锂玻璃态固体电解质。玻璃具有高度无序的三维网络结构,通道口径大小不一,对半径较大的阳离子易发生阻塞,锂离子半径较小,在玻璃网络中传导不易发生阻塞。因此锂离子玻璃固体电解质备受青睐,而目前研究较多的是氧化物及硫化物玻璃固体电解质。

1.1 锂离子氧化物玻璃固体电解质

氧化物玻璃固体电解质由网络形成氧化物如SiO2、B2O3、P2O5和网络改性氧化物如Li2O组成,氧离子固定在玻璃网络间并以共价键连接,只有锂离子可以在网络间迁移。氧化物玻璃电解质的离子室温电导率一般都不高,而且影响其离子室温电导率的因素有很多。首先,增加Li2O的含量会导致氧化物玻璃电解质电导率的增加,但对锂离子导体来说,由于桥接氧原子的电子密度比非桥接氧原子的小,所以与非桥接氧原子相比,桥接氧原子是锂离子的弱陷阱,而Li2O含量增加到一定程度,则会导致非桥接氧原子数增加,非桥接氧原子可以捕获锂离子,从而降低氧化物玻璃的电导率[8]。其次,锂离子的导电性能与材料的缺陷结构也有很大关系,氧化物玻璃电解质的传导通道中存在最小的孔道 (亦称为瓶颈),它决定着锂离子的传导速率。由于氧化物玻璃电解质一般具有较好的物理化学和电化学稳定性,对它的研究主要是如何提高其离子电导率。高价离子对氧化物玻璃电解质材料的掺杂作用是目前该领域研究的热点之一,通过V5+[9]、Se4+[5]、Ti4+、Ge4+、Al3+等高价离子的掺杂可以改变网络结构以及锂离子的传输环境,从而十分明显地提高了氧化物玻璃电解质的电导率[3]。

Li2O-P2O5-B2O3三元体系玻璃是研究较多的氧化物玻璃固体电解质,当锂离子物质的量分数为5%时,其瓶颈最大,锂离子能够顺利通过瓶颈,获得较高的体积电导率,但在实际过程中,总离子电导率包括体积电导率和晶界电导率,而晶界电导率与合成条件及粒子大小有关,粒子大小又与锂离子浓度有关,同样是Li2O-P2O5-B2O3体系玻璃,当锂离子物质的量分数为5%时,其室温电导率达到最大值,为9×10-5S/cm,当锂离子物质的量分数继续增加时,其室温电导率会开始减小[10]。

文献报道的其它氧化物玻璃电解质有Li2O-TiO2-SiO2-P2O5及Li2O-TiO2-Al2O3-P2O5固溶体[11]、Li2O-Li2SO4-B2O3体系玻璃[12]等,它们的电导率可以达到甚至超过10-4S/cm,但由于对大气的化学稳定性差而限制了其应用。这些问题为研究固态离子学的工作者提供了一条思路,那就是希望在氧化物容易制备的基础上,探索更好的适合锂离子迁移的组分,制备出离子电导率高、化学稳定性好的玻璃固体电解质。

1.2 锂离子硫化物玻璃固体电解质

硫离子半径比氧离子大,可以产生更大的离子传输的通道,同时硫化物S2-的最高价带3P6比氧化物O2-的最高价带 2P6高,因此非桥接S2-比非桥接O2-活性大,这就使得锂离子硫化物体系玻璃固体电解质的离子电导率比锂离子氧化物体系玻璃固体电解质的高[13]。

Li2S-SiS2、Li2S-P2S5、Li2S-B2S3等硫化物都是很好的锂离子导体。其中以Li2S-SiS2为基体的玻璃态材料具有高达10-4~10-3S/cm的离子电导率,玻璃转变温度(Tg)高、晶体转化温度(Tc)低、电化学性质稳定、易制备等优点,近年来对其研究较多。“掺杂”是常用的一种改善锂离子导体性能的方法,可以有目的地制造孔隙或改变通道大小,弱化骨架与迁移离子间的作用力而提高离子电导0率。Kennedy等研究了掺杂LiI的Li2S-SiS2玻璃态电解质,室温离子电导率由10-4~10-5S/cm增加到1.32×10-3 S/cm。但该材料与Li接触不稳定,阳极不可逆反应较明显。另外,LiCl和 LiBr的掺杂也遇到了类似的问题。因此,尽管掺杂卤化锂(LiX)提高了硫化物的电导率,但其电化学性质不稳定而被束之高阁[13]。

目前主要的问题是寻找一种有效的掺杂剂,既能提高离子电导率,又不破坏化学和电化学稳定性,Li3PO4、Li4SiO4、P2S5等可以很好地满足这些条件。研究发现,由双辊淬冷法制得的Li3PO4-Li2S-SiS2玻璃的室温电导率为1.5×10-3S/cm,这是锂离子固体电解质中室温电导率较高的组分之一。相对 Li3PO4来说,Li2S-SiS2-Li4SiO4中 Li4SiO4的掺杂效应对其性能的改善要显著一些。 SiS2-P2S5-Li2S-LiI体系玻璃在大气压力和液态氮气中就可以制备得到,其室温电导率为2.1×10-3S/cm(迄今为止发现的锂离子固体电解质中室温电导率最高的组分),而且与 SiS2-Li2S-LiI体系玻璃相比,其稳定性有很大提高。用 B2S3或 Al2S3代替P2S5的体系也可以制备得到,相对SiS2-Li2S-LiI体系来说,其电导率与稳定性均有很大提高[14]。

掺杂效应导致玻璃固体电解质性能改善的原因可以从其玻璃产物的结构分析中找到证据,图1中画虚线部分的结构单元中的硅原子同时与非桥接S及桥接O原子相连接 (黑的圆点代表Li+),这种像SiOnS4-n (n=1、2、3)一样的四面体结构单元在晶态材料中从未发现过,表明掺杂 Li3PO4后,在玻璃体形成的Li2S-SiS2结构中部分氧取代了硫,形成Si-O键,从而产生了只有1个桥接硫原子的硅原子,使玻璃形成网络中的锂离子浓度增加了;另外,氧原子选择性地占据了玻璃形成网络的桥接位置,而更多硫原子则位于非桥接位置。由于硫的极化率比氧大,降低了锂离子与玻璃形成网络之间的相互作用。由此,相对烧结材料而言,玻璃稳定性的提高是因为其结构中产生了SiOnS4-n (n=1、2、3)四面体结构单元,与非桥接 S及桥接O原子的同时连接导致电导率的提高,氧原子占据桥接位置有利于网络结构的稳定。因此,硫化物及氧硫化物玻璃固体电解质如果能够解决好制备过程中S2-的氧化问题,是很有应用前景的。

2 锂离子微晶玻璃固体电解质

微晶玻璃即玻璃陶瓷,是由玻璃控制晶化制得的多晶固体,它与传统陶瓷材料是不同的,导电的晶相从玻璃母体中析晶出来后能够导致电导率的显著提高。玻璃母体的组成不同,所制备的微晶玻璃材料固体电解质也不同,常见的微晶玻璃固体电解质玻璃母体有氧化物和硫化物两大体系。

2.1 锂离子氧化物微晶玻璃固体电解质

在氧化物体系微晶玻璃固体电解质中,研究得最多的是具有Na快离子导体(Na super ionic conductor,简写成NASICON)结构体系的化合物[15]。当NaZr2(PO4)3中的部分P5+被Si4+取代时便可得到具有NASICON结构的Na1+x-Zr2Si3-xPO12体系,其具有高的钠离子电导率。NASICON中的 Na+被Li+替换可得到Li1+xZr2Si3-xPO12,其离子电导率很低,原因是Li+半径很小,原本NASICON中对Na+合适的通道对Li+来说显得太大,不匹配反而使电导率下降[11]。但在LiZr2(PO4)3中,用Ti4+代替Zr4+( Ti4+半径小于Zr4+),使得电导率明显增加,原因是LiTi2(PO4)3的通道比LiZr2(PO4)3的小,与Li+半径相匹配,较适合Li+的迁移。在含不同四价离子的 NASICON结构的锂离子固体电解质中,LiTi2(PO4)3的离子电导率最高,是目前研究较多的化合物,半径较大的阳离子Ga3+、Cr3+、Sc3+、In3+等分别部分取代LiTi2(PO4)3中的Ti4+后可进一步提高其离子电导率,但随着取代离子半径的增加,电导率逐渐下降。

研究发现,在LiTi2(PO4)3的高温固相合成中加入与之不发生取代反应的低熔点添加剂,如 Li2O、Li3PO4、Li3BO3、Li2CO3、LiNO3、MgO、Y2O3、LiOH 等可大幅度降低玻璃陶瓷的孔隙率(大约从 30%~40%降到5%~10%),从而提高了离子电导率。Leo等[16]研究了LiGe2P3O12+x(MgO)+y(Li2O)系列锂离子固体电解质,发现100℃下在x=y=0.5 时电导率出现最大值1.2×10-4S/cm,比x=y=0 和x=0、y=0.5 时的电导率分别高3个数量级和1个数量级,这是因为玻璃陶瓷的孔隙率在x=y=0时为26%,而在x=y=0.3~0.6 之间孔隙率仅为 2%。可见,添加剂可以提高锂离子微晶玻璃的致密度,从而降低晶粒边界电阻,提高材料的离子导电性。

尽管掺杂LiTi2(PO4)3锂离子固体电解质的离子电导率较高,但这类化合物与金属锂直接接触时易发生氧化还原反应和电子导电,这是在电池应用方面所不希望的。用其它四价阳离子或三价和五价阳离子完全取代Ti4+可避免此类反应发生,常用的四价离子有Zr4+、Sn4+、Hf4+、Ge4+,半径较大的四价阳离子如Zr4+、Sn4+、Hf4+取代Ti4+后,产物在低温时晶体结构一般属三斜晶系或单斜晶系,离子电导率比较低;而半径较小的Ge4+取代Ti4+后的产物 LiGe2P3O12属三方晶系,100℃下的电导率为 0.2×10-6S/cm,进一步用三价Al3+部分取代Ge4+,其电导率可达5.2×10-3 S/cm[17]。

氧化物微晶玻璃固体电解质因其制备工艺容易实现而具有广阔的应用前景,需要解决的问题仍然是在考虑化学稳定性和成本的基础上探索更好的体系,以不断提高固体电解质的室温电导率,达到实用的要求。

2.2 锂离子硫化物微晶玻璃固体电解质

硫化物微晶玻璃固体电解质研究最多的是xLi2S-(100-x)P2S5体系。Li2S-P2S5 基玻璃部分晶化后形成的微晶玻璃电解质具有更高的离子电导率, 室温下可达10-3S/cm, 对金属锂高度稳定, 电化学窗口大约为10 V[18]。这一方面是因为晶化后的玻璃结构中形成了Li7PS6和Li3PS4,以及有未知晶相存在的高导电晶相。文献报道Li7PS6与Li3PS4烧结体的室温电导率分别为8×10-5S/cm与10-7S/cm,由此可知在热处理过程中,Li7PS6与Li3PS4发生了相转变,其高的室温导电相在玻璃陶瓷的形成过程中稳定下来[19]。该导电晶相只在富锂玻璃80Li2S-20P2S5 中沉积, 很可能是一种亚稳相[20], 另一方面, 热处理过程中非晶态粉末的软化导致晶粒间接触更加紧密, 晶粒边界电阻减小[21]。

在Li2S-P2S5微晶玻璃中掺入P2O5可进一步提高体系的电化学稳定性并降低导电活化能。例如微晶玻璃80Li2S-19P2S5-1P2O5 的导电活化能和电子电导率比80Li2S-20P2S5 更低, 而室温离子电导率仍保持在7.4×10-4S/cm[22]。

3 锂离子玻璃及微晶玻璃固体电解质在固态锂离子电池中的应用

锂离子玻璃及微晶玻璃导体是一种较好的锂离子二次电池用的固体电解质,它不仅解决了液态电解质的安全性问题,而且在循环稳定性等方面都有了很大的改善[23]。下面分别就氧化物和硫化物玻璃电解质及其相应的微晶玻璃固体电解质的应用进行阐述。

3.1 锂离子氧化物玻璃及微晶玻璃固体电解质在锂离子电池中的应用

玻璃态氧化物锂无机固体电解质的离子电导率较低, 这是其在锂及锂离子蓄电池中商业化应用的最大障碍, 但是由于其化学与电化学稳定性好, 以此作为电解质的锂及锂离子蓄电池可以获得优异的循环性能。例如玻璃态氧化物固体电解质(1-x)(0.5Li2O-0.5B2O3)-x Li2SO4(LiBSO)的电化学稳定窗口可达5.8V, 将其用于实际的微电池体系Li/LiBSO/TiS2, 在50mA/cm2的电流密度下进行1.5~2.6V的充放电循环, 电池循环过程中容量衰减缓慢, 与同样使用TiS2 薄膜正极的液态电解液体系相比, 显示出极好的循环性能[24]。电池性能的提高主要是因为使用了具有平滑界面的电化学稳定性更好的薄膜固体电解质, 充放电过程中无SEI膜的生成且电池内阻低。Baba 等[25]以LiPON 玻璃为电解质组装了全固态锂离子蓄电池LiMn2O4/LiPON/V2O5, 电池在3.5~0.3 V 间的首次放电比容量约为18mA·h/cm2,在最初的30次循环中, 充放电比容量随循环次数急剧增加, 该电池体系在真空环境下同样显示出很好的充放电性能。

3.2 锂离子硫化物玻璃及微晶玻璃固体电解质在锂离子电池中的应用

玻璃态硫化物锂离子固体电解质在电导率、稳定性、电化学性能等方面都十分优异, 在实际电池中的条件最为成熟, 最有可能实现商业化生产。

Takada 等[26]使用2种无机固体电解质组装了LiCoO2/Li2S-SiS2-Li3PO4 /Li2S-P2S5-LiI/C 全固态电池, 从第2次循环开始充放电曲线在3.7V 附近即显示出平稳的电压平台, 然而石墨和LiCoO2在其中仅分别表现出264mA·h/g 和96 mA·h/g 的放电比容量, 表明电极活性物质并未被充分利用。另外, LiCoO2/Li2S-P2S5-GeS2/Li2S-P2S5-LiI/C 电池的比能量(160Wh/kg)和高倍率充放电性能(电流密度可达1.4mA/cm2)可与商业化的锂离子蓄电池相比。

Hayashi 等[27]组装了全固态锂二次电池Li/Li2S-P2S5 微晶玻璃/P2S5-SnS, 在64 mA/cm2 的电流密度下其首次放电比容量达590 mA·h/g, 是如今商业化锂离子蓄电池放电比容量的1.5倍, 循环50 次后电池的可逆放电容量仍然保持在400mA·h/g以上。

根据锂离子电池的发展趋势,固体电解质将会逐渐向薄型化和小型化方向发展,室温离子的电导率高,化学稳定性好,容易制备的无机薄膜固体电解质为高性能全固态锂离子电池的实现带来了新的希望。

4 结语

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