第3講 電解池 金屬的電化學腐蝕與防護考綱要求： 1.了解電解池的工作原理。2.能寫出電極反應式和電解反應方程式。3.理解金屬發生電化學腐蝕的原因，金屬腐蝕的危害，防止金屬腐蝕的措施。考點一 電解原理教材知識層面1電解使電流通過電解質溶液(或熔融的電解質)而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。2電解池(也叫電解槽)(1)概念：電解池是把電能轉變為化學能的裝置。(2)構成條件：有與電源相連的兩個電極。電解質溶液(或熔融鹽)。形成閉合回路。(3)電極名稱及電極反應式(如圖)：總反應方程式：Cu22ClCuCl2(4)電子和離子移動方向：電子：從電源負極流向電解池的陰極；從電解池的陽極流向電源的正極。離子：陽離子移向電解池的陰極；陰離子移向電解池的陽極。高考考查層面命題點1電解方程式的書寫1方法步驟(1)首先判斷陰、陽極，分析陽極材料是惰性電極還是活潑電極。(2)再分析電解質水溶液的組成，找全離子并分陰、陽兩組(勿忘水溶液中的H和OH)。(3)然后排出陰、陽兩極的放電順序。陰極：陽離子放電順序：AgFe3Cu2H(酸)Fe2Zn2H(水)Al3Mg2NaCa2K(水溶液中Al3、Mg2、Na、Ca2、K不放電)。陽極：活潑電極S2IBrClOH含氧酸根離子(水溶液中含氧酸根離子不放電)。(4)分析電極反應，判斷電極產物，寫出電極反應式，要注意遵循原子守恒和電荷守恒。(5)最后寫出電解反應的總化學方程式或離子方程式。2注意問題(1)書寫電解池中電極反應式時，要以實際放電的離子表示，但書寫總電解反應方程式時，弱電解質要寫成分子式。(2)要確保兩極電子轉移數目相同，且注明條件“電解”。(3)注意題目信息中提示的離子的放電，如電解法制取KMnO4等。典題示例1按要求書寫有關的電極反應式及總方程式。(1)用惰性電極電解AgNO3溶液：陽極反應式：_；陰極反應式：_；總反應離子方程式：_。(2)用惰性電極電解MgCl2溶液陽極反應式：_；陰極反應式：_；總反應離子方程式：_。(3)用鐵作電極電解NaCl溶液陽極反應式：_；陰極反應式：_；總化學方程式：_。(4)用銅作電極電解鹽酸溶液陽極反應式：_；陰極反應式：_；總反應離子方程式：_。【答案】(1)4OH4e=O22H2O4Ag4e=4Ag4Ag2H2O4AgO24H(2)2Cl2e=Cl22H2e=H2Mg22Cl2H2OMg(OH)2Cl2H2(3)Fe2e=Fe22H2e=H2Fe2H2OFe(OH)2H2(4)Cu2e=Cu22H2e=H2Cu2HCu2H22.以鋁材為陽極，在H2SO4溶液中電解，鋁材表面形成氧化膜，陽極電極反應式為_。.用Al單質作陽極，石墨作陰極，NaHCO3溶液作電解液進行電解，生成難溶物R，R受熱分解生成化合物Q。寫出陽極生成R的電極反應式：_。【答案】.2Al6e3H2O=Al2O36H.Al3HCO3e=Al(OH)33CO2【解析】.依據信息陽極形成的氧化膜一定為Al2O3，Al失電子生成Al2O3，Al2O3中的氧是由水提供的，溶液顯酸性，所以有H生成；.Al作陽極，失電子，生成Al3，Al3水解顯酸性，溶液中的HCO水解顯堿性，兩者水解互相促進，生成Al(OH)3和CO2。命題點2電解質溶液的類型及規律典題示例1如圖是電解飽和NaCl溶液的實驗裝置，其中c、d為石墨電極。則下列有關判斷中正確的是()Aa為正極、b為負極Bc為陰極、d為陽極C電解過程中，d電極質量增加D電解過程中，氯離子濃度不變【答案】A【解析】由電子流向可知，a為正極，b為負極，c為陽極，d為陰極，c極：2Cl2e=Cl2；d極：2H2e=H2，因此，B、C、D項均錯。2以石墨為電極，電解KI溶液(其中含有少量酚酞和淀粉)。下列說法錯誤的是()A陰極附近溶液呈紅色B陰極逸出氣體C陽極附近溶液呈藍色 D溶液的pH變小【答案】D【解析】以石墨為電極，電解KI溶液的方程式是2KI2H2O通電,I2H22KOH。由于其中含有少量酚酞和淀粉，所以在陽極附近碘單質遇淀粉，溶液變為藍色；在陰極由于產生氫氣，溶液顯堿性，遇酚酞，溶液變為紅色。因為產生了堿，溶液堿性增強，所以溶液的pH變大。因此選項是D。3用惰性電極電解下列各組中的三種電解質溶液，在電解的過程中，溶液的pH依次為升高、不變、降低的是()AAgNO3CuCl2Cu(NO3)2BKClNa2SO4CuSO4CCaCl2KOHNaNO3DHClHNO3K2SO4【答案】B【解析】由電解電解質溶液的四種類型可知：類型化學物質pH變化放O2生酸型CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2降低放H2生堿型KCl、CaCl2升高電解電解質型CuCl2升高HCl升高電解H2O型NaNO3、Na2SO4、K2SO4不變KOH升高HNO3降低方法技巧惰性電極電解電解質溶液的四種類型類型電極反應特點電解質溶液電解對象電解質濃度pH電解質溶液復原電解水型陰極：4H4e=2H2陽極：4OH4e=2H2OO2強堿(如NaOH)水增大增大加水含氧酸(如H2SO4)水增大減小加水活潑金屬的含氧酸鹽(如Na2SO4)水增大不變加水電解電解質型電解質電離出的陰、陽離子分別在兩極放電無氧酸(如HCl)電解質減小增大通入氯化氫氣體不活潑金屬的無氧酸鹽(如CuCl2)電解質減小加氯化銅放H2生堿型陰極：H2O放H2生成堿陽極：電解質陰離子放電活潑金屬的無氧酸鹽(如NaCl)電解質和水生成新電解質增大通入氯化氫氣體放O2生酸型陰極：電解質陽離子放電陽極：H2O放O2生成酸不活潑金屬的含氧酸鹽(如CuSO4)電解質和水生成新電解質減小加氧化銅考點達標層面1、電解裝置如圖所示，電解槽內裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在一定的電壓下通電，發現左側溶液變藍色，一段時間后，藍色逐漸變淺。已知：3I26OH=IO5I3H2O，下列說法不正確的是()A右側發生的電極反應式：2H2O2e=H22OHB電解結束后，右側溶液中含有IOC電解槽內發生反應的總化學方程式：KI3H2OKIO33H2D如果用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內發生的總化學反應不變【答案】D【解析】裝置圖中左側電極為陽極，I失去電子生成I2，右側電極為陰極，H2O得到電子生成H2，A、C項正確；電解結束后，左側溶液中的IO經陰離子交換膜進入右側，B項正確；D項，如果將陰離子交換膜換為陽離子交換膜，那么陰極產生的OH不會與I2發生反應，故電解槽內發生的總化學反應要變化，D項錯誤。2如下圖所示，x、y分別是直流電源的兩極，通電后發現a極極板質量增加，b極極板處有無色無味的氣體放出，符合這一情況的是()a極板b極板x電極z溶液A鋅石墨負極CuSO4B石墨石墨負極NaOHC銀鐵正極AgNO3D銅石墨負極CuCl2【答案】A【解析】由題意知a極板質量增加，a應為陰極，則b為陽極，x為電源的負極，y為電源正極。A選項中a極板為陰極，b極板為陽極，參考各個選項知，A項符合，電解時，a極有Cu附著，b極有O2放出；B項不符合，電解時a極無質量變化；C項陽極為Fe，為活性電極，電解時Fe在陽極放電溶解，無氣體生成，故C項不符合；D項電解時，Cl在陽極放電生成Cl2，Cl2為黃綠色有刺激氣味的氣體，與原題題意不符合。考點二 電解原理的應用教材知識層面1電解飽和食鹽水(1)電極反應：陽極：2Cl2e=Cl2(氧化反應)陰極：2H2e=H2(還原反應)(2)總反應方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2離子方程式：2Cl2H2O2OHH2Cl2(3)應用：氯堿工業制燒堿、氯氣和氫氣。2電鍍和電解精煉銅電鍍(Fe上鍍Cu)電解精煉銅陽極電極材料鍍層金屬銅粗銅(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等雜質)電極反應Cu2e=Cu2Cu2e=Cu2Zn2e=Zn2Fe2e=Fe2Ni2e=Ni2陰極電極材料待鍍金屬Fe純銅電極反應Cu22e=Cu電解質溶液含Cu2的鹽溶液電解精煉銅時，粗銅中的Ag、Au等不反應，沉積在電解池底部形成陽極泥3電冶金利用電解熔融鹽的方法來冶煉活潑金屬Na、Ca、Mg、Al等。總方程式陽極、陰極反應式冶煉鈉2NaCl(熔融)2NaCl22Cl2e=Cl22Na2e=2Na冶煉鎂MgCl2(熔融)MgCl22Cl2e=Cl2Mg22e=Mg冶煉鋁2Al2O3(熔融)4Al3O26O212e=3O24Al312e=4Al高考考查層面命題點1電解原理在工業中的應用1利用如圖所示裝置，當X、Y【答案】用不同材料時，可將電解原理廣泛應用于工業生產。下列說法中正確的是()A氯堿工業中，X、Y均為石墨，X附近能得到氫氧化鈉B銅的精煉中，X是純銅，Y是粗銅，Z是CuSO4C電鍍工業中，X是待鍍金屬，Y是鍍層金屬D外加電流的陰極保護法中，Y是待保護金屬【答案】D【解析】電解飽和食鹽水時，陰極區得到H2和NaOH。銅的電解精煉時，應用粗銅作陽極、純銅作陰極；電鍍時，應以鍍層金屬作陽極、待鍍金屬作陰極。2電化學原理廣泛用于工業生產中，如有一種電化學凈水法的原理是：在電解過程中將低價金屬離子(如Co2)氧化成高價態的離子(Co3)，然后以此高價態的金屬離子作氧化劑把廢水中的有機物氧化成CO2而凈化。實驗室用如圖裝置模擬上述過程，下列說法正確的是()A電極a可以是石墨，電極b可以是銅B電解后陰極附近H濃度不變CCo3氧化甲醇的離子方程式為：6Co3CH3OHH2O=CO26Co26HD當1 mol 甲醇被完全氧化時，陽極應該失去4 mol 電子【答案】C【解析】選項A，Cu與電源正極相連時，Cu失去電子而溶解，所以b極不能用Cu，應用石墨等惰性電極。選項B，根據題給信息，陽極是溶液中的Co2失去電子生成Co3：2Co22e=2Co3，陰極是溶液中的H得到電子變為H2：2H2e=H2，所以陰極附近H濃度變小。選項C，CH3OH被氧化為CO2，溶液中的Co3被還原為Co2，再根據得失電子守恒和離子方程式的正誤判斷方法可知該離子方程式正確。選項D，陽極失去電子的物質的量等于Co3獲得電子的物質的量，1 mol CH3OH被氧化，轉移6 mol電子。命題點2電解原理在計算中的應用根據電解原理進行的相關計算主要包括以下幾個方面，根據直流電源提供的電量求產物的量(析出固體的質量、產生氣體的體積等)、溶液的pH、相對原子質量或某元素的化合價、化學式等。具體解題方法主要有以下三種：典題示例1將兩個鉑電極插入500 mL CuSO4溶液中進行電解，通電一定時間后，某一電極增重0.064 g(設電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化)，此時溶液中氫離子濃度約為()A4103 mol/LB2103 mol/LC1103 mol/L D1107 mol/L【答案】A【解析】陰極反應：Cu22e=Cu，增重0.064 g應是Cu的質量，設生成H的物質的量為x，根據總反應方程式： 2Cu22H2O 2CuO24H264 g 4 mol0.064 g xx0.002 molc(H)4103 mol/L。2用惰性電極電解400 mL一定濃度的硫酸銅溶液(不考慮電解過程中溶液體積的變化)，通電一段時間后進行如下操作。(1)如果向所得的溶液中加入0.1 mol CuO后，使溶液恰好恢復到電解前的濃度和pH，電解過程中轉移的電子為_mol。(2)如果向所得的溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2后，使溶液恰好恢復到電解前的濃度和pH，電解過程中轉移的電子為_mol。【答案】(1)0.2(2)0.4【解析】(1)電解硫酸銅溶液的反應方程式為2CuSO42H2O2Cu2H2SO4O2，從方程式可以看出，電解硫酸銅過程中只析出銅和釋放出氧氣，加入0.1 mol CuO可以使溶液恢復至原來狀態，說明參與反應的硫酸銅只有0.1 mol，轉移的電子為0.2 mol。(2)加入0.1 mol Cu(OH)2可以使溶液恢復至原來狀態，說明電解過程中不僅硫酸銅被電解，而且有水被電解。0.1 mol Cu(OH)2可以看做是0.1 mol的CuO和0.1 mol的H2O，因此電解過程中有0.1 mol的硫酸銅和0.1 mol的水被電解。 2CuSO42H2O2Cu O22H2SO4 4e2 mol4 mol01 mol0.2 mol2H2O2H2O24e2 mol4 mol01 mol0.2 mol所以，共轉移電子0.2 mol0.2 mol0.4 mol。 考點達標層面1.(1)電鍍時，鍍件與電源的_極連接。(2)化學鍍的原理是利用化學反應生成金屬單質沉積在鍍件表面形成的鍍層。若用銅鹽進行化學鍍銅，應選用_(填“氧化劑”或“還原劑”)與之反應。.(2012全國卷節選)粗銅的電解精煉如圖所示。在粗銅的電解過程中，粗銅板應是圖中電極_(填圖中的字母)；在電極d上發生的電極反應式為_；若粗銅中還含有Au、Ag、Fe，它們在電解槽中的存在形式和位置為_。.(2012山東高考節選)以CuSO4溶液為電解質溶液進行粗銅(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等雜質)的電解精煉，下列說法正確的是_。a電能全部轉化為化學能b粗銅接電源正極，發生氧化反應c溶液中Cu2向陽極移動d利用陽極泥可回收Ag、Pt、Au等金屬【答案】.(1)負(2)還原劑. cCu22e=CuAu、Ag以單質的形式沉積在c(陽極)下方，Fe以Fe2的形式進入電解質溶液中.bd【解析】.(1)電鍍池中，鍍件就是待鍍金屬制品，作陰極，與電源的負極相連；鍍層金屬為陽極，與電源正極相連。(2)要把銅從銅鹽中置換出來，用鐵即可，鐵作還原劑，所以應加入還原劑。.粗銅的電解精煉時，粗銅作陽極與電源正極相連，所以粗銅板是圖中電極c，d是陰極，發生的反應是Cu22e=Cu，Au、Ag不如銅活潑，以單質的形式沉積在c(陽極)下方，Fe比銅活潑，以Fe2的形式進入電解質溶液中。.粗銅的電解精煉時，電能不可能全部轉化為化學能，a錯誤；粗銅作陽極與電源正極相連，發生氧化反應，b正確；溶液中的Cu2向陰極移動，c錯誤；不活潑金屬Ag、Pt、Au等金屬在陽極沉積，可以回收。2在下圖中，甲燒杯中盛有100 mL0.50 molL1AgNO3溶液，乙燒杯中盛有100 mL 0.25 molL1CuCl2溶液，A、B、C、D均為質量相同的石墨電極，如果電解一段時間后，發現A極比C極重1.9 g，則(1)電源E為_極，F為_極。(2)A極的電極反應式為_，析出物質_mol。(3)B極的電極反應式為_，析出氣體_mL(標準狀況)。(4)C極的電極反應式為_，析出物質_mol。(5)D極的電極反應式為_，析出氣體_mL(標準狀況)。(6)甲燒杯中滴入石蕊試液，_附近變紅，如果繼續電解，在甲燒杯中最終得到_溶液。【答案】(1)負正(2)Age=Ag0.025(3)4OH4e=2H2OO2140(4)Cu22e=Cu0.012 5(5)2Cl2e=Cl2280(6)BHNO3【解析】本題是以電解知識為依托的綜合性較強的題目。由于有外接直流電源，所以裝置甲、乙均為電解池，兩個電解池的關系為串聯。電解一段時間后，A極比C極重。故A極上必有Ag析出，由于Ag在A極上獲得電子發生了還原反應，故A極為電解池的陰極，在電解池中陰極與外接直流電源的負極相連，故E極為負極，F極為正極。根據電解池甲、乙的串聯關系，可進一步得出A、B、C、D依次為陰極、陽極、陰極、陽極。電極反應依次為：A極：4Ag4e=4Ag，B極：4OH4e=2H2OO2，C極：2Cu24e=2Cu，D極：4Cl4e=2Cl2，由于串聯時各電極上流過的電量是相同的，假設電路中均通過4 mol電子，則A極上生成4 mol Ag，B極上生成1 mol O2，C極上生成2 mol Cu，D極上生成2 mol Cl2，這樣便可得出一個關系式：4e4AgO22Cu2Cl2，A極比C極重4 mol108 g mol12 mol64 gmol1304 g，根據A極比C極重1.9 g，可列出比例式求出反應生成的Ag和Cu的物質的量：n(Ag)4 mol0.025 mol，n(Cu)0.012 5 mol，n(O2)0.006 25 mol, n(Cl2)0.012 5 mol。電解時甲池隨著B極附近水電離產生的OH的不斷消耗，H的物質的量逐漸增大，所以滴入石蕊試液后B極附近變紅，而A極上Ag不斷得到電子析出Ag，故在甲燒杯中最終得到HNO3溶液。考點三 金屬的腐蝕與防護教材知識層面1化學腐蝕與電化學腐蝕的比較類型化學腐蝕電化學腐蝕條件金屬跟非金屬單質直接接觸不純金屬或合金跟電解質溶液接觸現象無電流產生有微弱電流產生本質金屬被氧化較活潑金屬被氧化聯系兩者往往同時發生，電化學腐蝕更普遍2析氫腐蝕與吸氧腐蝕的比較(以鋼鐵的腐蝕為例)類型析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強(pH4.3)水膜酸性很弱或呈中性電極反應負極Fe2e=Fe2正極2H2e=H2O22H2O4e=4OH總反應式Fe2H=Fe2H22FeO22H2O=2Fe(OH)2聯系吸氧腐蝕更普遍鐵銹的形成：4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(鐵銹)(3x)H2O。3金屬的防護(1)電化學防護犧牲陽極的保護法原電池原理a負極：比被保護金屬活潑的金屬；b正極：被保護的金屬設備。外加電流的陰極保護法電解原理a陰極：被保護的金屬設備；b陽極：惰性金屬。(2)改變金屬的內部結構，如制成合金、不銹鋼等。(3)加防護層，如在金屬表面噴油漆、涂油脂、電鍍、噴鍍或表面鈍化等方法。高考考查層面命題點1析氫腐蝕與吸氧腐蝕的分析判斷1.利用右圖裝置進行實驗，開始時，a、b兩處液面相平，密封好，放置一段時間。下列說法不正確的是()Aa管發生吸氧腐蝕，b管發生析氫腐蝕B一段時間后，a管液面高于b管液面Ca處溶液的pH增大，b處溶液的pH減小Da、b兩處具有相同的電極反應式：Fe2e=Fe2【答案】C【解析】a管發生吸氧腐蝕，a處溶液的pH增大，b管發生析氫腐蝕，b處溶液的H減小pH增大，故C項錯。2如圖裝置中，小試管內為紅墨水，具支試管內盛有pH4久置的雨水和生鐵片。實驗時觀察到：開始時導管內液面下降，一段時間后導管內液面回升，略高于小試管內液面。下列說法正確的是()A生鐵片中的碳是原電池的陽極，發生還原反應B雨水酸性較強，生鐵片僅發生析氫腐蝕C墨水回升時，碳電極反應式為O22H2O4e=4OHD具支試管中溶液pH逐漸減小【答案】C【解析】生鐵片中的碳是原電池的正極，A錯誤；雨水酸性較強，開始時鐵片發生化學腐蝕和析氫腐蝕，產生氫氣，導管內液面下降，一段時間后鐵片發生吸氧腐蝕，吸收氧氣，導管內液面回升，B錯誤；墨水回升時，鐵片發生吸氧腐蝕，碳極為正極，電極反應為O22H2O4e=4OH，C正確；鐵片無論是發生析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，具支試管內溶液的pH均增大，D錯誤。命題點2金屬腐蝕快慢的比較金屬腐蝕速率快慢的判斷方法不純的金屬或合金，在潮濕的空氣中形成原電池發生電化學腐蝕，活潑金屬因被腐蝕而損耗。金屬腐蝕的快慢與下面兩種因素有關：(1)與構成原電池的材料有關，兩極材料的活潑性差別越大，氧化還原反應的速率越快，活潑金屬被腐蝕的速度就越快。(2)與金屬所接觸電解質的強弱有關，活潑金屬在電解質溶液中的腐蝕快于在非電解質溶液中的腐蝕，在強電解質溶液中的腐蝕快于在弱電解質溶液中的腐蝕。一般來說，可用下列原則判斷：電解原理引起的腐蝕原電池原理引起的腐蝕化學腐蝕有防護措施的腐蝕。典題示例1如圖所示，各燒杯中盛有海水，鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序為()ABC D【答案】C【解析】是Fe為負極，雜質為正極的原電池腐蝕，是鋼鐵的吸氧腐蝕，腐蝕較慢。其電極反應式為：負極：2Fe4e=2Fe2，正極：2H2OO24e=4OH。、實質均為原電池裝置。中Fe為正極，被保護；、中Fe為負極，均被腐蝕，但Fe和Cu的金屬活潑性差別比Fe和Sn的大，故FeCu原電池中Fe被腐蝕較快；是Fe接電源正極作陽極，Cu接電源負極作陰極的電解腐蝕，加快了Fe的腐蝕；Fe接電源負極作陰極，Cu接電源正極作陽極，防止了Fe的腐蝕。根據以上分析可知：鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序為。2相同材質的鐵在下圖中各情形下最不易被腐蝕的是()【答案】C【解析】 A中，食醋作電解質溶液，鐵勺和銅盆是相互接觸的兩個金屬極，形成原電池，鐵是活潑金屬作負極；B中，食鹽水作電解質溶液，鐵炒鍋和鐵鏟都是鐵碳合金，符合原電池形成條件，鐵是活潑金屬作負極，碳作正極；C中，銅鍍層將鐵球覆蓋，使鐵被保護，所以鐵不易被腐蝕；D中，酸雨作電解質溶液，鐵鉚釘和銅板分別作負極、正極，形成原電池。命題點3金屬的防護1為了避免青銅器生成銅綠，以下方法正確的是()A將青銅器放在銀質托盤上B將青銅器與直流電源的正極相連C將青銅器保存在潮濕的空氣中D在青銅器的表面覆蓋一層防滲的高分子膜【答案】D【解析】 A、C兩項易構成原電池，且銅作負極，會加快銅的腐蝕；B項，青銅器作電解池的陽極，腐蝕最快；在青銅器的表面覆蓋防滲的高分子膜，防止了原電池的形成，避免了金屬的腐蝕，D正確。2下列敘述錯誤的是()A生鐵中含有碳，抗腐蝕能力比純鐵弱B用錫焊接的鐵質器件，焊接處易生銹C在鐵制品上鍍銅時，鍍件為陽極，銅鹽為電鍍液D鐵管上鑲嵌鋅塊，鐵管不易被腐蝕【答案】C【解析】 A、B選項，都是原電池原理，鐵做負極，使鐵更易腐蝕；D