适用于新高考新教材备战2025届高考化学一轮总复习第6章化学反应与能量第32讲电解池金属的腐蚀与防护课件

第32讲电解池金属的腐蚀与防护【课标指引】

1.能辨识化学反应中的能量转化形式,能解释化学反应中能量变化的本质。2.能分析、解释电解池的工作原理,能设计简单的电解池。3.能利用电化学原理解释金属腐蚀现象,选择并设计防腐措施。考点一电解原理考点二电解原理的应用目录索引

考点三金属的腐蚀与防护素养发展进阶考点一电解原理必备知识•梳理1.电解和电解池

电流

氧化反应

还原反应

电能

化学能

电源

电解质溶液

熔融电解质

闭合回路

2.电解池工作原理(以惰性电极电解CuCl2溶液为例)(1)电子、离子移动方向①电子移动方向:电源负极→电解池________;电解池的________→电源的正极。

②离子移动方向:阳离子:移向电解池________;阴离子:移向电解池________。

氧化

还原

阴极

阳极

阴极

阳极

(2)离子放电顺序

3.用惰性电极电解不同类型电解质溶液

类型实例电极反应式溶液pH变化溶液复原方法电解水型含氧酸H2SO4阳极:________________________阴极:________________________总反应:_______________________

强碱NaOH阳极:________________________阴极:________________________总反应:_______________________

活泼金属的含氧酸盐KNO3阳极:________________________阴极:________________________总反应:_______________________

2H2O-4e-══4H++O2↑4H++4e-══2H2↑2H2O2H2↑+O2↑减小

4OH--4e-══2H2O+O2↑4H2O+4e-══2H2↑+4OH-2H2O2H2↑+O2↑增大

2H2O-4e-══4H++O2↑4H2O+4e-══2H2↑+4OH-2H2O2H2↑+O2↑不变

加水

类型实例电极反应式溶液pH变化溶液复原方法电解电解质型无氧酸(氢氟酸除外)HCl阳极:________________________阴极:________________________总反应:_______________________

不活泼金属的无氧酸盐CuCl2阳极:________________________阴极:________________________总反应:Cu2++2Cl-

Cu+Cl2↑—

2Cl--2e-══Cl2↑2H++2e-══H2↑2H++2Cl-

H2↑+Cl2↑增大

通入HCl气体

2Cl--2e-══Cl2↑Cu2++2e-══Cu加CuCl2固体

类型实例电极反应式溶液pH变化溶液复原方法放氢生碱型活泼金属的无氧酸盐NaCl阳极:________________________阴极:________________________总反应:_____________________________

放氧生酸型不活泼金属的含氧酸盐AgNO3阳极:________________________阴极:________________________总反应:____________________________

2Cl--2e-══Cl2↑2H2O+2e-══H2↑+2OH-2Cl-+2H2O

H2↑+Cl2↑+2OH-增大

通入HCl气体

2H2O-4e-══4H++O2↑4Ag++4e-══4Ag4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+减小

加入Ag2O固体

【应用示例】用石墨作电极电解溶有物质的量之比为3∶1的NaCl和H2SO4的水溶液。根据反应产物,电解可明显分为三个阶段,这三个阶段电解的电解质分别是__________、__________、__________(填化学式)。

HClNaClH2O解析

根据离子放电顺序可知,电解此混合溶液时,在阳极阴离子放电的先后顺序为Cl-、OH-、

,先生成Cl2后生成O2,在阴极始终为H+放电,逸出H2,整个电解过程可看成三个阶段:电解HCl溶液、电解NaCl溶液、电解H2O。关键能力•提升考向1电解池装置及工作原理例1(2023·浙江1月选考卷)在熔融盐体系中,通过电解TiO2和SiO2获得电池材料(TiSi),电解装置如图,下列说法正确的是(

)

A.石墨电极为阴极,发生氧化反应B.电极A的电极反应:8H++TiO2+SiO2+8e-═TiSi+4H2OC.该体系中,石墨优先于Cl-参与反应D.电解时,阳离子向石墨电极移动C解析

在外加电源下石墨电极上C转化为CO,失电子发生氧化反应,为阳极,A错误;电极A的电极反应为TiO2+SiO2+8e-═TiSi+4O2-,B错误;根据图中信息可知,该体系中,石墨优先于Cl-参与反应,C正确;电解池中石墨电极为阳极,阳离子向阴极电极A移动,D错误。[对点训练1](2023·上海卷)电解食盐水间接氧化法去除工业废水中氨氮的原理如图所示,通过电解氨氮溶液(含有少量的NaCl),将NH3转化为N2(无Cl2逸出),下列说法正确的是(

)

A.M为负极B.N极附近pH不变化C.n(N2)<n(H2)D.电解后c(Cl-)上升C解析

该装置为电解池装置,在M电极上氯离子失去电子生成氯气(无Cl2逸出),然后氯气将氨氧化为氮气,氯气又被还原为氯离子,该过程中氯离子做了催化剂,M电极为阳极,阳极区的总反应为2NH3-6e-═N2↑+6H+,A错误;N电极为阴极,电极反应为2H2O+2e-═H2↑+2OH-,故该电极附近pH增大,B错误;阳极区的总反应为2NH3-6e-═N2↑+6H+,阴极的电极反应为2H2O+2e-═H2↑+2OH-,根据电路中电子转移守恒可知,生成的氢气更多,C正确;在阳极上氯离子失去电子生成氯气,然后氯气又被氨还原为氯离子,电解后氯离子浓度不可能上升,D错误。考向2电解规律及应用例2用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次升高、不变、降低的是(

)A.AgNO3、NaCl、Cu(NO3)2

B.KCl、Na2SO4、CuSO4C.CaCl2、KOH、NaNO3

D.HCl、HNO3、K2SO4B解析

电解AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4溶液时有酸产生,溶液pH降低;电解NaCl、KCl、CaCl2溶液时有碱产生,溶液pH升高;电解HCl溶液时电解的是电解质本身,溶液中HCl减少,对应的H+减少,溶液的pH升高;电解KOH、HNO3溶液时相当于电解H2O,电解质浓度增大,对应的碱溶液碱性更强,酸溶液酸性更强。[对点训练2]

如图所示,x、y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加,b极板处有无色无味的气体放出,符合这一情况的是(

)选项a极板b极板x电极z溶液A锌石墨负极CuSO4B石墨石墨负极NaOHC银铁负极AgNO3D铜石墨负极CuCl2A解析

由题意知a极板质量增加,a应为阴极,则b为阳极,x为电源负极,y为电源正极,参考各个选项知,A项符合,电解时,a极板有Cu附着,b极板有O2放出;B项不符合,电解时a极板无质量变化;C项不符合,阳极为Fe,为活性电极,电解时Fe在阳极放电溶解,无气体生成;D项不符合,电解时,Cl-在阳极放电生成Cl2,Cl2为黄绿色、有刺激气味的气体。考向3电解的有关计算例3(2023·全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时,采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率,装置如下图所示。下列说法正确的是(

)A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上B.Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极C.阴极发生的反应有:2CO2+12H++12e-═C2H4+4H2OD.每转移1mol电子,阳极生成11.2L气体(标准状况)C[对点训练3]

将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为(

)A.4×10-3mol·L-1

B.2×10-3mol·L-1C.1×10-3mol·L-1

D.1×10-7mol·L-1A考点二电解原理的应用必备知识•梳理1.氯碱工业情境思考氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。如图是离子交换膜法电解食盐水的示意图,图中的离子交换膜只允许阳离子通过。(1)写出电解饱和食盐水的离子方程式:___________________________。

(2)离子交换膜的作用为_____________________________________________________________________________________________________。

(3)精制饱和食盐水从图中______(填“a”“b”“c”或“d”)位置补充,氢氧化钠溶液从图中______位置流出。

2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH-能得到纯度更高的氢氧化钠溶液,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生反应

ad2.电镀与电解精炼铜

项目电镀电解精炼铜示意图

阳极

先是粗铜中比铜活动性强的Zn、Fe等失电子,然后是Cu-2e-═Cu2+阴极

电解质溶液c(CuSO4)基本

c(CuSO4)

Cu-2e-══Cu2+Cu2++2e-══CuCu2++2e-══Cu不变

变小

3.电冶金利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属,如Na、Ca、Mg、Al等。项目电解总反应电极反应式冶炼钠

阳极:______________________阴极:2Na++2e-═2Na冶炼镁

阳极:2Cl--2e-═Cl2↑阴极:______________________冶炼铝

阳极:______________________阴极: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↑关键能力•提升考向1氯碱工业与电解原理例1(2023·浙江6月选考卷)氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗,下列说法不正确的是(

)A.电极A接电源正极,发生氧化反应B.电极B的电极反应式为2H2O+2e-═H2↑+2OH-C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗B解析

电极A是氯离子变为氯气,化合价升高,失去电子,是电解池阳极,因此电极A接电源正极,发生氧化反应,A正确;电极B为阴极,通入氧气,氧气得到电子,其电极反应式为2H2O+4e-+O2═4OH-,B错误;右室生成氢氧根,应选用阳离子交换膜,左边的钠离子进入右边,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,C正确;改进设计中增大了氧气的量,提高了电极B处的氧化性,通过提高反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗,D正确。[对点训练1]

在氯碱工业中,离子交换膜法电解饱和食盐水示意图如下,下列说法不正确的是(

)

A.电极A为阳极,发生氧化反应生成氯气B.离子交换膜为阳离子交换膜C.饱和NaCl从a处进,NaOH溶液从d处出D.OH-迁移的数量等于导线上通过电子的数量D解析

氯碱工业中的总反应为2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑;电解池中阳极失电子发生氧化反应,氯碱工业中Cl2为氧化产物,所以电极A为阳极,电极B为阴极。A.根据分析可知电极A为阳极,发生氧化反应生成氯气,正确;B.阳极发生反应的方程式为2Cl--2e-═Cl2↑,阴极:2H2O+2e-═H2↑+2OH-,为了防止生成的氯气与氢氧化钠发生反应,氢氧化钠要从d口流出,所以要防止OH-流向阳极即电极A,该离子交换膜为阳离子交换膜,正确;C.根据B选项的分析可知饱和NaCl从a处进,NaOH溶液从d处出,正确;D.因为有阳离子交换膜的存在,OH-不发生迁移,Na+迁移到B电极,错误。考向2电解精炼与电镀例2金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述中正确的是(已知:氧化性Fe2+<Ni2+<Cu2+)(

)A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-═NiB.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量相等C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和PtD解析

电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A项错误;因氧化性Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极反应式为Ni2++2e-═Ni,可见,阳极质量减少是因为Zn、Fe、Ni溶解,而阴极质量增加是因为Ni析出,B项错误;电解后溶液中的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C项错误。[对点训练2]

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C解析

电镀前,Zn与Fe构成原电池,Zn为负极,Fe为正极,电镀时,Fe为阴极,Zn为阳极,原电池充电时,原电池负极为阴极、正极为阳极,故不属于原电池的充电过程,A错误;根据电子守恒,通过电子的电量与析出Zn的量成正比,B错误;电流恒定,单位时间通过的电子的物质的量恒定,即电解速率恒定,C正确;镀层破损后,Zn与Fe仍能构成原电池,其中Zn为负极被腐蚀,Fe为正极被保护,D错误。考向3利用电解原理治理污染问题例3三室式电渗析法处理含NH4NO3废水的原理如图所示,在直流电源的作用下,两膜中间的

可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。工作一段时间后,在两极区均得到副产品NH4NO3。下列叙述正确的是(

)A.a极为电源负极,b极为电源正极B.c膜是阴离子交换膜,d膜是阳离子交换膜C.阴极电极反应式为D.当电路中通过2mol电子的电量时,阳极产生标准状况下的O25.6LA[对点训练3]MFC-电芬顿技术不需要外加能量即可发生,通过产生羟基自由基(·OH)处理有机污染物,可获得高效的废水净化效果。其耦合系统原理示意图如图,下列说法中错误的是(

)A.标准状况下,乙池中消耗22.4LO2时,可以产生2mol·OHB.甲池是将化学能转化为电能,其中a极上发生氧化反应C.电子移动方向为:a→Y,X→bD.乙池中生成羟基自由基的反应为Fe2++H2O2+H+═Fe3++H2O+·OHA解析

乙池中Y电极上的反应为O2+2H++2e-═H2O2,之后再发生反应H2O2+H++Fe2+═Fe3++H2O+·OH,当产生1

mol羟基自由基时,需要1

mol

H2O2,消耗1

mol

O2。所以标准状况下消耗22.4

L

O2时,产生1

mol羟基自由基,A错误;甲池为原电池,将化学能转化为电能,是燃料电池,b极上氧气被还原,为正极,a电极为负极,发生的是氧化反应,B正确;甲池为原电池,a电极为负极,b电极为正极。乙池为电解池,X电极为阳极,Y电极为阴极。串联装置中,电子由原电池负极流向电解池阴极,即a→Y,由电解池的阳极流向原电池正极,即X→b,C正确;乙池中Y极为阴极,电极反应式为O2+2e-+2H+═H2O2,则生成·OH的反应为Fe2++H2O2+H+═·OH+Fe3++H2O,D正确。考点三金属的腐蚀与防护必备知识•梳理1.金属的腐蚀(1)金属腐蚀的本质金属原子________电子变为金属________,金属发生________。

(2)金属腐蚀的类型①化学腐蚀与电化学腐蚀类型化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与其表面接触的一些物质________反应

不纯的金属与____________接触,发生________反应

现象金属被________较活泼金属被________区别无电流产生有微弱电流产生联系电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀速率________,危害也更严重

失去

阳离子

氧化反应

直接

电解质溶液

原电池

腐蚀

腐蚀

更快

②析氢腐蚀和吸氧腐蚀(以钢铁的腐蚀为例)类型析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强水膜酸性很弱或呈中性负极反应式Fe-2e-═Fe2+正极反应式

总反应

联系吸氧腐蚀更普遍2H++2e-══H2↑O2+2H2O+4e-══4OH-Fe+2H+══Fe2++H2↑2Fe+O2+2H2O══2Fe(OH)2【应用示例】

(1)若棉团浸有NH4Cl溶液,铁钉发生_______腐蚀,正极反应式为_____________________,右试管中现象是________________________。

(2)若棉团浸有NaCl溶液,铁钉发生_______腐蚀,正极反应式为_____________________,右试管中现象是________________________。

析氢

2H++2e-══H2↑有气泡冒出

吸氧

O2+4e-+2H2O══4OH-导管内液面上升

2.金属的防护(1)金属防护的原理金属的防护主要是从________、与金属接触的物质及两者________的条件等方面来考虑的。

金属

反应

(2)金属腐蚀的防护方法

负

正

阴阳【应用示例】如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为______________。

⑤④②①③⑥

解析

②③④均为原电池,③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀,但Fe和Cu的金属活动性差别大于Fe和Sn的,故Fe-Cu原电池中Fe被腐蚀得较快。⑤是Fe接电源正极作阳极,Cu接电源负极作阴极的电解腐蚀,加快了Fe的腐蚀。⑥是Fe接电源负极作阴极,Cu接电源正极作阳极的电解腐蚀,防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。关键能力•提升考向1金属腐蚀的原理及分析例1(2023·湖南雅礼中学期末)点蚀又称为孔蚀,是一种集中于金属表面很小的范围并深入到金属内部的腐蚀形态。某铁合金钝化膜破损后的孔蚀如图,则下列说法正确的是(

)A.为防止孔蚀发生可以将外接电源正极与金属相连B.反应时每吸收2.24LO2,则此时HCl可以氧化0.2molFeC.在腐蚀的过程中钝化膜作为负极D.依题孔隙中局部可能发生析氢腐蚀D解析

与电源正极相连作阳极,阳极发生氧化反应,加快金属的腐蚀,故为防止孔蚀发生可以将外接电源负极与金属相连,A错误;未告知O2所处的状态,无法计算2.24

L

O2的物质的量,故无法计算此时HCl可以氧化Fe的物质的量,B错误;由图示可知,在腐蚀的过程中钝化膜作为正极,O2在钝化膜上得到电子发生还原反应,C错误;依题孔隙中局部中可能存在酸性环境,则可能发生析氢腐蚀,D正确。[对点训练1]

如图所示,将铁钉的一部分镀上不同的金属,放入培养皿中,加入含有饱和食盐水及琼脂的溶液,再各滴入几滴酚酞溶液和K3[Fe(CN)6]溶液。下列分析不正确的是(

)

A.a中铁钉附近呈现蓝色B.b中铁钉附近出现红色C.a中铜上发生反应O2+2H2O+4e-═4OH-D.b中锌上发生还原反应D解析

a中铁比铜活泼,发生腐蚀时,铁作负极被氧化生成Fe2+,滴加K3[Fe(CN)6]溶液,铁钉附近出现蓝色沉淀,A正确;b中Zn比Fe活泼,发生腐蚀时,Zn作负极被氧化为Zn2+,铁钉作正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-═4OH-,滴加酚酞溶液,铁钉负极溶液变成红色,B正确,D错误;a中铜是正极,发生吸氧腐蚀,电极反应式为O2+2H2O+4e-═4OH-,C正确。考向2金属腐蚀的防护方法例2验证牺牲阳极法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。下列说法不正确的是(

)A.对比②③,可以判定Zn保护了FeB.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼D解析

实验②中加入K3[Fe(CN)6]溶液,溶液无变化,说明溶液中没有Fe2+;实验③中加入K3[Fe(CN)6]溶液生成蓝色沉淀,说明溶液中有Fe2+,A项正确;对比①②可知,①中K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,Fe2+再与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀,B项正确;由以上分析可知,验证Zn保护Fe时,可以用②③做对比实验,不能用①的方法,C项正确;K3[Fe(CN)6]可将单质铁氧化为Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀,附着在Fe表面,无法判断铁比铜活泼,D项错误。[对点训练2](2023·陕西西安统考)用图示的方法可以保护钢质闸门,下列说法不正确的是(

)

A.当a、b间用导线连接时,则X应发生氧化反应B.当a、b间用导线连接时,则X可以是锌C.当a、b与外接电源相连时,a应连接电源的负极D.当a、b与外接电源相连时,其方法为牺牲阳极法D解析

当a、b间用导线连接时形成了原电池,铁需要被保护,则铁为正极,X做负极,发生氧化反应,X需要的是一种活泼性比铁强的金属,可以是锌,A、B正确;当a、b与外接电源相连时,铁需要被保护,则铁做阴极,a应连接电源的负极,C正确;当a、b与外接电源相连时,利用电解原理保护金属铁,其方法是外加电流法,D错误。素养发展进阶进阶1练易错·避陷阱

1.(2023·广东汕头二模)间接电解法可对大气污染物NO进行无害化处理。其工作原理如图所示(质子膜只允许H+通过)。下列有关说法错误的是(

)A.电极b接电源正极,电解过程中附近溶液的pH增大B.电极a的电极反应式为C.电解过程中右侧Na2SO4的浓度增大D.电解过程中有4molH+通过质子膜时,可处理60gNOA2.(2023·广东惠州检测)过硫酸铵[(NH4)2S2O8]可用作氧化剂、漂白剂。利用电解法在两极分别生产过硫酸铵和过氧化氢的装置如图所示。下列说法错误的是(

)A.a为外接电源的负极B.电解总反应:C.阴离子交换膜可用阳离子交换膜替代D.电解池工作时,Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小C解析

S元素化合价由+6价升高为+7价,化合价升高被氧化,故右侧Pt电极为阳极,b为外接电源正极,a为外接电源负极,左侧Pt电极为阴极,A正确;阴极氧气被还原,阳极硫酸根被氧化,电解总反应正确,B正确;根据阳极产物可知,反应需要消耗硫酸根,阴离子交换膜不可用阳离子交换膜替代,C错误;电解池工作时,Ⅰ室溶液中氢离子移向阴极,硫酸根移向阳极,消耗硫酸,Ⅰ室溶液质量理论上逐渐减小,D正确。进阶2练热点·提素能3.(2024·浙江温州模拟)利用电化学富集海水中锂的电化学系统如图所示。该电化学系统的工作步骤如下:①启动电源1,MnO2所在腔室的海水中的Li+进入MnO2结构而形成LixMn2O4;②关闭电源1和海水通道,启动电源2,使LixMn2O4中的Li+脱出进入腔室2。下列说法不正确的是(

)A.启动电源1时,电极1为阳极,发生氧化反应B.启动电源2时MnO2电极反应式为xLi++2MnO2+xe-═LixMn2O4C.电化学系统提高了腔室2中LiOH的浓度D.启动至关闭电源1,转化的n(MnO2)与生成的n(O2)之比为20∶3,可得LixMn2O4中的x=1.2B解析

由题意知,启动电源1,使海水中Li+进入MnO2结构形成LiMn2O4;可知二氧化锰中锰的化合价降低,为阴极,电极1为阳极,连接电源正极;关闭电源1和海水通道,启动电源2,向电极2上通入空气,使LixMn2O4中的Li+