电解池 技术的电化学腐蚀与防护

1、第2节 电解池 金属的电化学腐蚀与防护 考纲要求1了解电解池的工作原理，能写出电极反应式和总反应方程式。2理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。 高考动向本节在高考中的考点主要有：一是电解池的工作原理，如电解池阳阴极的判断、电极反应式的书写及溶液pH的变化等；二是电解规律及其应用，如氯碱工业、粗铜的精炼、电镀等；三是金属腐蚀的原因和金属的防护措施。预计将电化学、元素及其化合物、有机化学、电解质溶液、化学实验设计、化学计算等知识融合在一起进行综合考查，是今后高考命题的趋势。 基础知识梳理一、电解原理1电解使电源通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阳极和阴极引起氧化还原

2、反应的过程。2电解池(也叫电解槽)把电能转变为化学能的装置。3电解池的组成和工作原理(用石墨电极电解CuCl2溶液)阴极还原反应Cu22e=Cu该电极上有红色物质生成阳极氧化反应2Cl2e=Cl2刺激性变蓝总反应式：CuCl2CuCl2思考1电解质溶液导电时，一定会有化学反应发生吗？【提示】一定有化学反应发生，因为在电解池的两极发生了氧化还原反应，有电子转移，生成了新物质，所以一定有化学反应发生。二、电解原理的应用1电解饱和食盐水(1)电极反应：阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2H2e=H2(2)总反应方程式：2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2(3)应用：氯碱工业制NaOH、H2和Cl2。2

3、电镀(1)电极材料阳极：镀层金属阴极：镀件(或待镀金属)(2)电解质溶液：含含镀层金属离子的溶液(3)特点：阳极质量减少，阴极质量增加，电解质溶液浓度不变。3电解精炼铜(1)电极材料阳极：粗铜(含Zn、Fe、Ni、Cu、Ag、Au)阴极：纯铜(2)电解质溶液：含Cu2的盐溶液(3)电极反应阳极：Zn2e=Zn2Fe2e=Fe2Ni2e=Ni2Cu2e=Cu2阴极：Cu22e=Cu (4)特点：阳极：质量减少，最后阳极金属为Ag、Au成为阳极泥。阴极：质量增加，最后得到纯铜。电解质溶液：增加Zn2，减少Cu2(但一般变化不大)最后溶液中含有Zn2Fe2Ni2Cu2等金属离子。4电解冶炼利用电解熔

4、融盐的方法冶炼Na、Mg、Al等活泼金属；冶炼Na。(以电解熔融NaCl为例)电极反应：阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2Na2e=2Na总反应：2NaCl(熔融)2NaCl2思考2电解进行时，溶液中的离子浓度一定会减小吗？【提示】不一定，有的减小，用惰性电极电解CuCl2溶液时，因为Cu2、Cl均发生电极反应被消耗，最终CuCl2溶液一定变稀。还有的浓度要变大，如电解Na2SO4、NaOH等，实际消耗了水。还有的浓度不变，如恒温下电解饱和Na2SO4溶液。三、金属的腐蚀与防护1金属的腐蚀金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。(1)化学腐蚀：金属与接触的物质直接发生化学反应

5、而引起的腐蚀。(2)电化学腐蚀：不纯的金属跟电解质溶液接触发生原电池反应，较活泼的金属被氧化的腐蚀。2金属的防护(1)电化学防护牺牲阳极的阴极保护法，如在船舶的外壳装上锌块：锌作原电池的负极(阳极)，铁作为原电池的正极(阴极)。外加电源的阴极保护法，如钢闸门被保护：阳极为惰性电极，与电源正极相连；阴极为钢闸门与电源负极相连。(2)改变金属的内部结构，如不锈钢。(3)加防护层，如喷油漆等。 高考高频考点考点一原电池、电解池、电镀池的比较类别性质原电池电解池电镀池定义(装置特点)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镀上一层其他金属的装置反应特征自发反应非自发反

6、应非自发反应装置特征无电源，两极材料不同有电源，两极材料可同可不同有电源形成条件活动性不同的两极(连接)电解质溶液(两极插入其中并与电极发生自发反应) 形成闭合回路两电极连接电源两电极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(电极构成)负极：较活泼的金属(电子流出的极) 正极：较不活泼的金属或能导电的非金属(电子流入的极)阳极：与电源正极相连的极阴极：与电源负极相连的极名称同电解，但是有限制条件阳极：必须是镀层金属阴极：镀件电极反应负极：氧化反应，金属直接失电子正极：还原反应，溶液中的阳离子得电子或者氧气得电子(吸氧腐蚀)阳极：氧化

7、反应，溶液中的阴离子失电子，或电极金属直接失电子阴极：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正极电源负极阴极，阳极电源正极(同电解池)溶液中带电粒子的移动阳离子向正极移动阴离子向负极移动阳离子向阴极移动阴离子向阳极移动(同电解池)例1(2011·广东理综)某小组为研究电化学原理，设计下图装置，下列叙述不正确的是()Aa和b不连接时，铁片上会有金属铜析出Ba和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：Cu22e=CuC无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色Da和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2向铜电极移动

8、解析a和b不连接时，铁与CuSO4溶液发生反应：FeCu2=Fe2Cu，A项正确；a和b用导线连接时，组成了原电池，Fe为负极，Cu为正极，铜片上发生还原反应：Cu22e=Cu，铁片上发生氧化反应：Fe2e=Fe2，B项正确；通过以上分析可知，无论a和b是否连接，均发生反应：FeCu2=Fe2Cu，故溶液均从蓝色(Cu2的颜色)逐渐变成浅绿色(Fe2的颜色)，C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，构成电解池，铜片为阳极，铁片为阴极，Cu2应向阴极(铁电极)移动，D项错误。互动训练1下列有关电化学的示意图中正确的是()解析选项A，Zn应为原电池负极，Cu为原电池正极。选项B，盐桥两边的烧杯

9、中盛装的电解质溶液应互换。选项C，粗铜应连接电源正极。选项D，电解饱和NaCl溶液，Cl在阳极放电产生Cl2，溶液中的H在阴极获得电子而产生H2，正确。答案D考点二 以惰性电极电解电解质溶液的规律1.电解时电极产物的判断2用惰性电极电解电解质溶液的规律如下表所示特别提醒：(1) 若阴极为H放电，则阴极区c(OH)增大；若阳极为OH放电，则阳极区c(H)增大；若阴极、阳极同时有H、OH放电，相当于电解水，电解质溶液浓度增大。(2)当电解过程中电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H或OH放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H或OH均换成水，在生成物中出现的是碱或酸，同时使阴极、阳极反应式得

10、失电子数目相同，将两个电极反应式相加，即得总反应的化学方程式。(3)用惰性电极电解时，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，一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。例2Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图，电解总反应为： 2CuH2OCu2OH2。下列说法正确的是()A石墨电极上产生氢气B铜电极发生还原反应C铜电极接直流电源的负极D当有0.1mol 电子转移时，有0.1mol Cu2O生成解析本题主要考查电化学的基础知识，意在考查考生的分析推理能力和实际运用知识的能力。由电解总反应可知，Cu参加了反应，所以Cu作电解池

11、的阳极，发生氧化反应，B选项错误；石墨作阴极，电极反应为2H2e=H2，A选项正确；阳极与电源的正极相连，C选项错误；阳极反应为2Cu2OH2e=Cu2OH2O，当有0.1mol电子转移时，有0.05mol Cu2O生成，D选项错误。答案A【方法规律】电解池原理分析五步法第一步：看。看电极材料是惰性电极(如石墨、铂等)，还是活泼电极(如Cu、Fe等)，惰性电极不参加阳极的氧化反应，活泼电极参加阳极的电极反应。第二步：离。写出包括水在内的所有电解质的电离方程式。第三步：分。将离子分成阳离子组和阴离子组，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，根据得失电子能力将离子排序。第四步：写。根据阳极发生氧化反

12、应，阴极发生还原反应书写。第五步：析。根据电极反应式分析电极、电解质溶液变化并进行有关计算。互动训练2(2012·宁德质检)现有Cu2、Cl、Na、SO、Zn2两两组成的电解质溶液若干种，可选用铜电极、铂电极、锌电极进行电解实验。(1)以_作阳极电解_溶液时，溶液的pH有明显升高，且溶液保持澄清。(2)以_作阳极电解_溶液时，溶液的pH有明显下降。(3)为使电解过程中溶液的浓度保持不变，应以铜为阳极电解_溶液，或以_为阳极电解_ _溶液。(4)以铜为阳极电解_或_溶液，均可得到氢氧化物沉淀。解析(1)电解氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl2H2O2NaOHH2Cl2。(2)电解硫酸铜

13、溶液时，阴极Cu2得电子，被还原，而阳极水(氢氧根)失电子，得到氧气，溶液中富余H。(3)Cu做阳极，被氧化，Cu2进入溶液中，故电解的溶液为硫酸铜溶液。以铜为阳极电解NaCl、Na2SO4时，可以得到Cu(OH)2沉淀，反应的总化学方程式为Cu2H2O=Cu(OH)2H2。答案(1)铂NaCl(2)铂CuSO4(3)CuSO4ZnZnCl2(或ZnSO4)(4)NaClNa2SO4考点三 有关电化学的计算原电池和电解池的计算包括：两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量等。不论哪类计算，均可以概括为下列三种方法：根

14、据电子守恒法计算：用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、电荷量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。根据总反应式计算：先写出电极反应式再写出总反应式，最后根据总反应式列比例式计算。根据关系式计算：根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。例3如图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g 5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g 10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。(1)接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4溶液的浓度为10.47%，乙中c电极质量增加。据此回答问题：电源的N极为_(填“正”或“负”)极；电极b

15、上发生的电极反应为_；列式计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积：_；电极c的质量变化是_g；电解前后各溶液的酸、碱性是否发生变化，简述其原因：甲溶液_；乙溶液_；丙溶液_。(2)如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行，为什么？_。解析c电极质量增加说明c处有Cu析出，即c为阴极，由此可推出b为阳极(OH失电子)、a为阴极、M为负极、N为正极。丙中K2SO4溶液浓度的变化是此题计算的关键。电解K2SO4溶液相当于电解水，根据溶质守恒有：100g ×10.00%100g m(水)×10.47%，得m(水)4.5g ，即电解水0.25mol。根据电子守恒有如下关系：2

16、H2O(丙)4eO2(b极)2Cu(c极)2mol 22.4L 2×64g 025mol V(O2) m(Cu)解得：V(O2)2.8Lm(Cu)16g 答案(1)正4OH4e=2H2OO2水减少的质量：100g ×(1)4.5g 生成O2体积：××22.4L·mol12.8L16碱性增强，电解后，水量减少，溶液中NaOH浓度增大酸性增强，阳极上OH生成O2，溶液中H浓度增大酸碱性强弱没有变化，K2SO4是强酸强碱盐，浓度增大不影响溶液的酸碱性(2)能继续进行，乙中溶液已转变为H2SO4溶液，也就变为电解水的反应互动训练3 (2012·

17、;诸城调研)如下图为相互串连的甲乙两个电解池，X、Y为直流电源的两个电极。电解过程中，发现石墨电极附近先变红。请回答：(1)电源X极为_极(填“正”或“负”)，乙池中Pt电极上的电极反应式为_。(2)甲池若为电解精炼铜的装置，其阴极增重12.8g ，则乙池中阴极上放出的气体在标准状况下的体积为_，电路中通过的电子为_mol。(3)若乙池剩余溶液的体积仍为400mL，则电解后所得溶液c(OH)_。解析由题意得X极为正极，Pt电极为电解池的阳极，电极反应式为2Cl2e=Cl2甲池的阴极电极反应：Cu22e=Cu乙池的阴极电极反应：2H2e=H2由电子守恒得：Cu2eH2 64g 2mol 22.4

18、L 12.8g n(e) V(H2)则：n(e)0.4molV(H2)4.48L乙池发生反应：2Cl2H2O2OHH2Cl2 2mol 22.4L n(OH) 4.48Ln(OH)0.4mol电解后所得溶液c(OH)1mol·L1答案(1)正2Cl2e=Cl2(2)4.48L0.4(3)1mol·L1考点四 金属的腐蚀与防护1.金属腐蚀的本质和类型金属腐蚀的本质就是金属失去电子被氧化。金属腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。若金属与接触的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀称为化学腐蚀，此类腐蚀无电流产生；若合金或不纯金属接触电解质溶液而构成了原电池，其中活泼的金属作负极，

19、失去电子而被氧化的腐蚀称为电化学腐蚀，此类腐蚀伴随有电流的产生。电化学腐蚀的速率一般比化学腐蚀的速率快。电化学腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，如钢铁的电化学腐蚀发生的反应如表所示：析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或碱性正极反应2H2e=H2O22H2O4e=4OH负极反应Fe2e=Fe2其他反应Fe22OH=Fe(OH)24Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)32.金属腐蚀快慢的因素不纯的金属或合金，在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗。金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关：(1)与构成原电池的材料有关，两极材料的活泼性相差越大，氧化还原反应的速率越快，金

20、属被腐蚀的速率就越快。(2)与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。一般说来可用下列原则判断：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀。3金属的防护方法(1)加防护层，如在金属表面加上耐腐蚀的油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属。(2)电化学防护牺牲阳极的阴极保护法原电池原理：正极(阴极)为被保护的金属；负极(阳极)为比被保护的金属活泼的金属。外加电源阴极保护法电解原理：阴极为被保

21、护的金属，阳极为惰性电极。例4(2011·浙江理综)将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区(a)已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环(b)，如下图所示。导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。下列说法正确的是()A液滴中的Cl由a区向b区迁移B液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O22H2O4e=4OHC液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2由a区向b区迁移，与b区的OH形成Fe(OH)2，进一步氧化、脱水形成铁锈D若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：Cu2e=Cu2解析本题

22、考查原电池、钢铁的吸氧腐蚀等知识。依题意，可判断中心区a为原电池的负极，液滴边缘O2含量较大，是原电池的正极，A中Cl在电池工作时向负极(a)移动，A选项错误；B项显然正确；C中Fe失电子被氧化而被腐蚀，故C项错误，D中因Fe比Cu活泼，充当负极的是Fe，负极反应为Fe2e=Fe2，故D错误。答案B互动训练4(2010·福建厦门质检)海水的进水钢闸门易被腐蚀，对此的下列说法不正确的是()A钢闸门腐蚀的本质是Fe2e=Fe2B钢闸门腐蚀主要是发生电化学吸氧腐蚀，其正极反应是O22H2O4e=4OHC将钢闸门与浸入海水的锌块用导线相连，可防止铜闸门腐蚀D将钢闸门与直流电源的正极相连，可防

23、止钢闸门腐蚀解析钢闸门在腐蚀过程中铁被氧化为Fe2，腐蚀原理为吸氧腐蚀型的电化学腐蚀，A、B项对；当将钢闸门与浸入海水的锌块用导线连接起来后就构成了原电池，锌块作负极，钢闸门作正极受到保护，C项对；若将钢闸门与电源正极相连，则其成为阳极被加速腐蚀掉，D项错。答案D 课堂强化练习1(2011·山东省菏泽市考试)关于用惰性电极电解饱和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试液，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2(2011·山

24、东省潍坊市监测)Cu2O是一种半导体材料，用作制造整流器的材料，还可以用于制船底防污漆(杀死低级海生动物)、农作物的杀菌剂。在实验室里可模拟工业过程制取Cu2O，总反应式是2CuH2O通电,Cu2OH2，其装置如图，下列有关说法不正确的是()A该实验符合绿色化学的设计理念B图中的虚线框内需连接直流电源，且正极与石墨相连CCuO高温加热分解也可以得到Cu2OD上述装置中，阳极的电极反应式是2Cu2OH2e=Cu2OH2O3(2011·课标大纲)用石墨作电极电解CuSO4溶液。通电一段时间后，欲使电解液恢复到起始状态，应向溶液中加入适量的()ACuSO4 BH2OCCuO DCuSO4·5H2O4(2011·山东理综)以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌，下列说法正确的是()A未通电前上述镀锌装置可构成原电池，电镀过程是该原电池的充电过程B因部分电能转化为热能，电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系C电镀时保持电流恒定，升高温度不改变电解反应速率D镀锌层破损后即对铁制品失去保护作用5(2011·北京东城)如图所示装置，A、B中电极为多孔的惰性电极；C、D为夹在湿的Na2SO4滤纸条上的铂夹，a、b为电源的两极。若在A、B中充满KOH溶液后倒立于盛有KOH溶液的水槽中。切断K1，闭合K2