第3講

電解池金屬的腐蝕與防護化學蟲子工作室榮譽出品第六章

化學反應與能量考點一電解原理及規律考點二電解原理在工業生產中的應用考點三金屬的腐蝕與防護鏈接高考本節目錄1.電解和電解池(1)電解:使

通過電解質溶液(或熔融電解質)而在陽極、陰極引起

反應的過程。

(2)電解池:將

轉化為

的裝置。

2.電解池的構成條件電流氧化還原電能

考點一電解原理及規律3.電解池工作原理(1)電極(2)電子和離子的移動方向

負極得到

(3)電解CuCl2溶液(惰性電極)電解總反應的化學方程式:

。

[微點撥1]電解時,在外電路中有電子通過,而在溶液中是依靠離子定向移動形成電流,即電子本身不會通過電解質溶液。陰極還原Cu2++2e-=Cu陽極氧化2Cl--2e-

=Cl2↑CuCl2

Cu+Cl2↑4.電解規律(1)陽極產物的判斷①活性電極(除Au、Pt外的金屬)作陽極,則活性電極

電子,發生

反應。

②惰性電極(Pt、石墨等)作陽極,要依據陰離子的放電順序判斷。陰離子的放電順序如下:失去氧化

(2)陰極產物的判斷不考慮電極材料,直接根據溶液中陽離子的放電順序進行判斷。陽離子的放電順序如下:[微點撥3]①陽離子的放電順序遵循氧化還原反應的“先后規律”,前提條件是各種離子的濃度相差不大。②金屬陽離子(除Fe3+)放電,則得到相應的金屬,H+放電則得到H2;Fe3+放電一般轉化為Fe2+。5.以惰性電極電解電解質溶液的四種類型類型實例電極反應特點電解質濃度pH電解質溶液復原電解水型NaOH溶液陰極:2H2O+2e-

=H2↑+2OH-陽極:4OH--4e-

=2H2O+O2↑增大增大加水H2SO4溶液陰極:2H++2e-

=H2↑陽極:2H2O-4e-

=4H++O2↑增大減小Na2SO4溶液陰極:2H2O+2e-

=2OH-+H2↑陽極:2H2O-4e-

=4H++O2↑增大不變類型實例電極反應特點電解質濃度pH電解質溶液復原電解電解質型HCl溶液電解質電離出的陰、陽離子分別在兩極放電減小增大通氯化氫CuCl2溶液減小—加氯化銅放H2生堿型NaCl溶液陰極:H2O放H2生堿陽極:電解質陰離子放電生成新電解質增大通氯化氫放O2生酸型CuSO4溶液陰極:電解質陽離子放電陽極:H2O放O2生酸生成新電解質減小加氧化銅(1)原電池的正極和電解池的陽極均發生氧化反應(

)(2)電解質溶液的導電過程就是電解質溶液被電解的過程 (

)(3)電解CuCl2溶液,陰極逸出的氣體能夠使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍(

)(4)電解鹽酸、硫酸溶液等,H+放電,溶液的pH逐漸增大(

)×[解析]Cl2在陽極生成。×[解析]電解鹽酸,pH變大;電解硫酸溶液,實際是電解水,pH變小。√×[解析]電子不能通過溶液。×(5)用Cu作電極電解鹽酸可發生Cu+2H+

Cu2++H2↑(

)(6)電解池工作時電子從電源的負極流出,流入陰極通過溶液到陽極,然后從陽極流出,流回電源正極(

)√基礎知識秒殺(正確的打“√”,錯誤的打“×”)2.[2022·廣東廣州模擬]某學生設計了一種家用消毒液發生器,裝置如圖所示。下列說法錯誤的是(

)A.該消毒液的有效成分是NaClOB.通電時Cl-發生氧化反應C.通電時電子從陽極經食鹽溶液流向陰極D.該裝置的優點是隨制隨用C[解析]電解食鹽溶液會生成氯氣、氫氣和氫氧化鈉,氯氣與氫氧化鈉反應生成次氯酸鈉,故有效成分是次氯酸鈉,A正確;通電時Cl-發生氧化反應生成氯氣,Cl元素的化合價由-1價變為0價,B正確;溶液中只有陰、陽離子,沒有電子,電子不能經過電解質溶液,C錯誤;該裝置的優點是隨制隨用,以防舊制的次氯酸鈉分解失效,D正確。[核心素養提升]

判斷電解池的陰極和陽極的方法[方法點撥]電解池中電極產物的判斷和電極反應式的書寫1.電解飽和食鹽水——氯堿工業(1)電極反應陽極反應式:

(氧化反應);

陰極反應式:

(還原反應);

總反應方程式:

。

(2)陽離子交換膜的作用①只允許

通過,能阻止陰離子和Cl2通過,防止發生副反應:

;

②防止陽極產生的Cl2和陰極產生的H2混合,發生爆炸。2Cl--2e-

=Cl2↑2H2O+2e-

=H2↑+2OH-2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑陽離子2NaOH+Cl2

=NaCl+NaClO+H2O考點二電解原理在工業生產中的應用2.

電鍍與電解精煉銅

電鍍電解精煉銅概念電鍍是一種利用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的加工工藝運用電解的方法將粗銅提煉為純銅主要目的使金屬增強抗腐蝕能力、增加表面硬度和美觀將粗銅提煉為純銅示意圖

電鍍電解精煉銅構成條件陽極

金屬

陰極

金屬

電解液含

金屬陽離子CuSO4溶液電極反應陽極

Zn-2e-

=Zn2+,Cu-2e-

=Cu2+

(比銅活潑的金屬雜質以

形式殘留在溶液中,比銅不活潑的金屬雜質形成

)

陰極

電解質溶液的濃度變化

CuSO4溶液的濃度

CuSO4溶液的濃度

鍍層粗銅待鍍純銅鍍層Cu-2e-

=Cu2+陽離子陽極泥Cu2++2e-=CuCu2++2e-

=Cu不變減小3.

電冶金利用電解熔融鹽(或氧化物)的方法來冶煉活潑金屬,如Na、Ca、Mg、Al等。

電解總反應電極反應式冶煉鈉

陽極:

陰極:2Na++2e-

=2Na冶煉鎂

陽極:2Cl--2e-

=Cl2↑陰極:

冶煉鋁

陽極:

陰極:4Al3++12e-

=4Al2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑2Cl--2e-

=Cl2↑MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑Mg2++2e-

=Mg2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑6O2--12e-

=3O2↑[解析]MgO熔點很高,一般不用來冶煉Mg;而AlCl3為共價化合物,不存在離子,無法電解。(1)在鍍件上電鍍銅時,也可以用惰性材料作陽極,用硫酸銅溶液作電解液

(

)(2)電解冶煉鎂、鋁通常電解MgCl2和Al2O3,也可電解MgO和AlCl3(

)(3)若把Cu+H2SO4

=CuSO4+H2↑設計成電解池,應用Cu作陽極(

)(4)電鍍銅和電解精煉銅時,電解質溶液中c(Cu2+)均保持不變(

)√×√×[解析]電解精煉銅時電解質溶液中c(Cu2+)減小。(5)陽離子交換膜(以電解NaCl溶液為例)只允許陽離子(Na+、H+)通過,而阻止陰離子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通過(

)(6)用Zn作陽極,Fe作陰極,ZnCl2溶液作電解質溶液,由于放電順序H+>Zn2+,不可能在鐵上鍍鋅(

)√×基礎知識秒殺(正確的打“√”,錯誤的打“×”)2.粗銅的電解精煉如圖所示。(1)在粗銅的精煉過程中,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

。

(2)若粗銅中還含有Au、Ag、Fe,則陽極的電極反應式為

,

粗銅中的Au、Ag的存在形式和位置為

,

溶液中c(Cu2+)

(填“變大”“變小”或“不變”)。

cCu2++2e-

=CuFe-2e-=Fe2+、Cu-2e-

=Cu2+Au、Ag以單質的形式沉積在c電極的下方,形成陽極泥變小[核心素養提升]電化學綜合計算的三種常用方法(1)根據總反應式計算先寫出電極反應式,再寫出總反應式,最后根據總反應式列出比例關系進行計算。(2)根據電子守恒計算①用于串聯電路中陰陽兩極產物、正負兩極產物、相同電量等類型的計算,其依據是電路中轉移的電子數相等。②用于混合溶液中電解的分階段計算。

金屬腐蝕化學腐蝕電化學腐蝕條件金屬與其表面接觸的一些物質直接反應不純金屬與電解質溶液接觸會發生

反應

區別

電流產生

微弱電流產生

實質與聯系

①實質都是

失去電子被氧化而損耗;

②化學腐蝕與電化學腐蝕往往同時發生,但

更普遍、危害性更大、腐蝕速率更快

1.

金屬腐蝕的本質金屬原子

變為金屬陽離子,金屬發生

反應。

2.金屬腐蝕的類型(1)化學腐蝕和電化學腐蝕的比較失去電子氧化原電池無有金屬原子電化學腐蝕考點三

金屬的腐蝕與防護(2)鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕類型析氫腐蝕吸氧腐蝕水膜性質

負極反應

正極反應

總反應

其他反應及產物

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

2Fe(OH)3

=Fe2O3·xH2O+

(3-x)H2O普遍性

更普遍

酸性酸性很弱或呈中性Fe-2e-

=Fe2+2H++2e-

=H2↑2H2O+O2+4e-

=4OH-Fe+2H+

=Fe2++H2↑2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2吸氧腐蝕3.

金屬的防護(1)電化學防護法

犧牲陽極法外加電流法原理利用

原理,通常在被保護的鋼鐵設備(如鍋爐的內壁、船舶的外殼等)上安裝若干鎂合金或

利用

原理,把被保護的鋼鐵設備(如鋼閘門)作為

,用惰性電極作為輔助陽極,兩者均放在電解質溶液(如海水)里,外接直流電源

圖示原電池鋅塊電解陰極

犧牲陽極法外加電流法分析發生腐蝕時,作為

的鋼鐵設備被保護起來

調整外加電壓,強制電子流向被保護的鋼鐵設備,使鋼鐵表面腐蝕電流降至零或接近零,鋼鐵設備被迫成為

而受到保護

正極陰極(2)改變金屬材料的組成,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。(1)Al、Fe、Cu在潮濕的空氣中腐蝕均生成氧化物(

)(2)銅在酸性較強的溶液中也可發生析氫腐蝕(

)××(3)在金屬表面覆蓋保護層,若保護層破損后,就完全失去了對金屬的保護作用(

)×[解析]銅在潮濕的空氣中腐蝕生成銅綠[Cu2(OH)2CO3]。[解析]銅與H+不反應。[解析]若在鐵器上鍍鋅,則保護層破損后,鋅仍對鐵有保護作用。[解析]被保護金屬應與電源負極相連。(5)外加電流法是將被保護金屬接在直流電源的正極(

)(4)在潮濕空氣中,鋼鐵表面形成水膜,金屬發生的一定是吸氧腐蝕(

)×[解析]若水膜酸性較強,可發生析氫腐蝕。×基礎知識秒殺(正確的打“√”,錯誤的打“×”)2.研究海水中金屬橋墩的腐蝕及防護是橋梁建設的重要課題。下列有關說法錯誤的是 (

)A.橋墩的腐蝕主要是析氫腐蝕B.鋼鐵橋墩在海水中比在河水中腐蝕更快C.圖甲輔助電極的材料可以為石墨D.圖乙鋼鐵橋墩上發生的反應是O2+2H2O+4e-

=4OH-A[解析]海水呈弱堿性,橋墩在海水中主要發生吸氧腐蝕,A錯誤;海水中電解質含量高于河水,因此鋼鐵橋墩在海水中比在河水中腐蝕更快,B正確;圖甲是外加電流法,鋼鐵橋墩與電源的負極相連,輔助電極可以是石墨或金屬,C正確;圖乙是犧牲陽極法,輔助電極是比鐵更活潑的金屬,鋼鐵橋墩作正極,發生吸氧腐蝕,電極反應式為O2+2H2O+4e-

=4OH-,D正確。[學科能力提升]判斷金屬腐蝕快慢的規律(1)對同一電解質溶液來說,腐蝕速率的快慢電解原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學腐蝕>有防腐措施的腐蝕。(2)對同一金屬來說,在不同溶液中腐蝕速率的快慢強電解質溶液中>弱電解質溶液中>非電解質溶液中。(3)活動性不同的兩種金屬,活動性差別越大,腐蝕速率越快。(4)對同一種電解質溶液來說,電解質溶液濃度越大,金屬腐蝕速率越快。1.[2022·湖北卷]含磷有機物應用廣泛。電解法可實現由白磷直接制備Li[P(CN)2],過程如圖所示(Me為甲基)。下列說法正確的是(

)A.生成1molLi[P(CN)2],理論上外電路需要轉移2mol電子B.陰極上的電極反應為P4+8CN--4e-

=4[P(CN)2]-C.在電解過程中CN-向鉑電極移動D.電解產生的H2中的氫元素來自于LiOHD鏈接高考[解析]P4→Li[P(CN)2],P元素的化合價升高,發生氧化反應,所以石墨電極為陽極,對應的電極反應式為P4+8CN--4e-

=4[P(CN)2]-,則生成1molLi[P(CN)2],理論上外電路需要轉移1mol電子,A錯誤;陰極上得電子發生還原反應,對應的電極反應式為2HCN+2e-

=H2↑+2CN-,B錯誤;電解過程中,CN-應該向陽極移動,即移向石墨電極,C錯誤;由圖示可知HCN在陰極放電,產生CN-和H2,而HCN中的H來自LiOH,則電解產生的H2中的氫元素來自LiOH,D正確。2.[2022·浙江卷]通過電解廢舊鋰電池中的LiMn2O4可獲得難溶性的Li2CO3和MnO2,電解示意圖如下(其中濾布的作用是阻擋固體顆粒,但離子可自由通過。電解過程中溶液的體積變化忽略不計)。下列說法不正確的是(

)A.電極A為陰極,發生還原反應B.電極B的電極反應:2H2O+Mn2+-2e-

=MnO2+4H+C.電解一段時間后溶液中Mn2+濃度保持不變D.電解結束,可通過調節pH除去Mn2+,再加入Na2CO3溶液以獲得Li2CO3C[解析]電極B上Mn2+轉化為MnO2,錳元素化合價升高,失電子,則電極B為陽極,電極A為陰極,陰極得電子,發生還原反應,A正確;電極B上Mn2+失電子轉化為MnO2,電極反應式為2H2O+Mn2+-2e-

=MnO2+4H+,B正確;電極A為陰極,LiMn2O4得電子,電極反應式為2LiMn2O4+6e-+16H+

=2Li++4Mn2++8H2O,依據得失電子守恒,電解池總反應為2LiMn2O4+4H+

=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O,反應生成了Mn2+,電解過程中Mn2+濃度逐漸增大,C錯誤;通過調節溶液pH將Mn2+轉化為Mn(OH)2沉淀除去,再加入Na2CO3溶液,將Li+轉化為Li2CO3,D正確。3.[2022·廣東卷]為檢驗犧牲陽極的陰極保護法對鋼鐵防腐的效果,將鍍層有破損的鍍鋅鐵片放入酸化的3%NaCl溶液中。一段時間后,取溶液分別實驗,能說明鐵片沒有被腐蝕的是(

)A.加入AgNO3溶液產生沉淀B.加入淀粉碘化鉀溶液無藍色出現C.加入KSCN溶液無紅色出現D.加入K3[Fe(CN)6]溶液無藍色沉淀生成D[解析]將鍍層有破損的鍍鋅鐵片放入酸化的3%NaCl溶液中,會構成原電池,由于鋅比鐵活潑,所以鋅作原電池的負極,而鐵作正極,溶液中破損的位置會變大,當鋅反應完,鐵也會和酸化的氯化鈉溶液反應產生氫氣,溶液中會有亞鐵離子生成。氯化鈉溶液中始終存在氯離子,所以加入硝酸銀溶液后,不管鐵片是否被腐蝕,均會出現白色沉淀,故A不符合題意;淀粉碘化鉀溶液可檢測氧化性物質,但不論鐵片是否被腐蝕,均無氧化性物質可與碘化鉀發生反應,故B不符合題意;KSCN