第21单元电解金属的腐蚀与防护.docx
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第21单元电解金属的腐蚀与防护
第21单元电解金属的腐蚀与防护
一、考纲要求
1.了解电解池的工作原理。
2.能写出电极反应式和电解总方程式。
3.理解金属发生电化学腐蚀的原因,金属腐蚀的危害及其防护措施。
二、知识梳理
1.电解池
(1)概念
把______能转化为________能的装置。
(2)电解原理。
①电解:
使______通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在______引起______的过程。
②电极名称与电极反应。
与电源正极相连的为______,发生________反应;与电源负极相连的为______,发生________反应。
③电极材料
惰性电极:
如_____________。
活性电极:
如_____________。
④工作原理:
(以石墨为电极电解CuCl2溶液为例)
电极反应式
阳极:
________________________阴极:
________________________总式:
________________________________
电子流向
电源________→导线→电解池________电解池________→导线→电源________
离子移动方向
电解质溶液中的阳离子移向________电解质溶液中的阴离子移向________
答案:
(1)电 化学
(2)①电流 阴、阳两极 氧化还原反应
②阳极 氧化 阴极 还原
③石墨、铂 Cu、Zn、Fe
④2Cl--2e-===Cl2↑ Cu2++2e-==="Cu" CuCl2
Cu+Cl2↑ 负极 阴极 阳极 正极 阴极 阳极
2.电解的应用
(1)氯碱工业
电解食盐水制备烧碱、氢气和氯气。
阴极反应式:
______________;
阳极反应式:
__________________;
电解反应总方程式:
___________________。
(2)电镀
电镀时,阳极是________,阴极是________,一般用含有____________的电解质溶液作电镀液;电镀池工作时,阳极质量________,阴极质量________,电解质溶液浓度________。
以电镀铜为例写出电极反应式:
阳极反应:
______________;阴极反应:
____________。
(3)铜的精炼(粗铜中通常含有Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质)
电极名称
电极材料
电极反应
电解质溶液
阳极
__铜
__________,__________,__________,__________,
______溶液
阴极
__铜
Cu2++2e-===Cu
粗铜中比较活泼的金属杂质形成阳离子进入溶液,金属活动性弱于铜的金属(Ag和Au)沉淀在电解槽底部,形成_________。
(4)电冶金
金属冶炼:
Mn++ne-===M。
①电解熔融的氯化钠冶炼金属钠。
阳极反应:
___________;阴极反应:
____________。
总反应:
_______________。
②电解熔融的氯化镁冶炼金属镁。
阳极反应:
___________;阴极反应:
____________。
总反应:
MgCl2(l)
Mg+Cl2↑。
③电解熔融的氧化铝冶炼金属铝。
阳极反应:
___________;阴极反应:
____________。
总反应:
_______________。
答案:
(1)2H++2e-===H2↑ 2Cl--2e-===Cl2↑ 2NaCl+2H2O
Cl2↑+H2↑+2NaOH
(2)镀层金属 镀件 镀层金属离子 减小 增大 不变 Cu-2e-===Cu2+ Cu2++2e-===Cu
(3)粗 Zn-2e-===Zn2+ Fe-2e-===Fe2+ Ni-2e-===Ni2+ Cu-2e-===Cu2+纯 CuSO4 阳极泥
(4)①2Cl--2e-===Cl2↑ 2Na++2e-===2Na 2NaCl(l)
2Na+Cl2↑
②2Cl--2e-===Cl2↑ Mg2++2e-==="Mg"
③6O2--12e-===3O2↑ 4Al3++12e-===4Al 2Al2O3
4Al+3O2↑
3.金属的腐蚀与防护
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
化学腐蚀
电化学腐蚀
定义
金属跟接触到的物质(如O2、Cl2、SO2等)________发生________反应而引起的腐蚀
不纯金属与电解质溶液接触时,发生______反应,________的金属失电子而被氧化
本质
______电流产生
________电流产生
现象
金属被________(氧化)
________金属被腐蚀(氧化)
实例
金属与Cl2、O2等物质直接发生化学反应
钢铁在潮湿的空气中生锈
实质与联系
实质都是金属原子________电子被________而损耗;化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍、危害性更大、腐蚀速率更快
(2)钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较______
水膜酸性______或______
正极反应
__________________
__________________
负极反应
__________________
__________________
(3)金属的防护①改变金属的组成结构。
如铁中加入一定比例的铬炼制得铬钢,具有很高的耐腐蚀性。
②在金属表面覆盖一层________层,使金属与周围具有腐蚀性的气体和电解质溶液隔离,便可保护金属,防止金属腐蚀。
如在金属表面上喷漆、电镀或覆盖搪瓷,使表面钝化等。
③电化学保护法:
牺牲阳极保护法:
使被保护的金属设备作原电池的____极。
外加电流阴极保护法:
使被保护的金属设备作电解池____极,与外接电池的负极相连接,用废铁作____极。
答案:
(1)直接化学原电池比较活泼无有微弱腐蚀较活泼失去氧化
(2)强 很弱 呈中性 2H++2e-===H2↑ O2+2H2O+4e-===4OH- Fe-2e-===Fe2+2Fe-4e-===2Fe2+
(3)②保护 ③正 阴 阳
三、要点精析
1.电解原理及其电解方程式书写
(1)电解时电极产物的判断
(2)电解化学方程式的书写
①必须在连接号上标明通电或电解。
②只是电解质被电解,电解化学方程式中只写电解质及电解产物。
如电解CuCl2溶液:
CuCl2
Cu+Cl2↑。
③只有水被电解,只写水及电解产物即可。
如电解稀硫酸、电解NaOH溶液、电解Na2SO4溶液时,化学方程式应写为:
2H2O
2H2↑+O2↑。
④电解质、水同时被电解,则都要写进化学方程式。
如电解饱和食盐水:
2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH。
[注意事项]
①书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
②要确保两极电子转移数目相同。
③电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
2.[关键提醒]
电解时离子放电顺序判断的思路
(1)首先判断阴、阳极,分析电极材料,判断是电极材料放电还是溶液中的离子放电。
阳极为金属活性电极时,电极材料放电。
(2)再分析溶液中的离子种类,根据离子放电顺序,分析电极反应,并判断电极产物,写出电极反应式。
3.电解规律及有关计算
(1)电解类型比较
类型
实例
电极反应特点
电解质浓度
pH
电解质溶液复原
电解水型
NaOH
阴:
4H++4e-===2H2↑阳:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
增大
增大
加水
H2SO4
增大
减小
加水
Na2SO4
增大
不变
加水
电解电解质型
HCl
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
减小
增大
通氯化氢
CuCl2
减小
加氯化铜
放H2生碱型
NaCl
阴极:
H2O放H2生碱阳极:
电解质阴离子放电
生成新电解质
增大
通氯化氢
放O2生酸型
CuSO4
阴极:
电解质阳离子放电阳极:
H2O放O2生酸
生成新电解质
减小
加氧化铜
4.电解计算
计算类型:
电解池中有关量的计算或判断主要包括以下几方面:
根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等)、溶液的pH、相对原子质量或某元素的化合价、化学式等。
计算方法:
(1)根据电子守恒法计算:
用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)根据总反应式计算:
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式计算。
[关键提醒]
(1)若阴极为H+放电,则阴极区cOH-增大;若阳极为OH-放电,则阳极区cH+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)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,一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。
(3)电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
5.金属的腐蚀和防护
(1)金属腐蚀快慢比较
①在同一电解质溶液中,金属腐蚀的快慢是:
电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
②在不同溶液中,金属在电解质溶液中的腐蚀>金属在非电解质溶液中的腐蚀;金属在强电解质溶液中的腐蚀>金属在弱电解质溶液中的腐蚀。
③对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快。
④由于金属表面一般不会遇到酸性较强的溶液,故吸氧腐蚀是金属腐蚀的主要形式,只有在金属活动性顺序表中排在氢以前的金属才可能发生析氢腐蚀,而位于氢之后的金属只能发生吸氧腐蚀。
(2)金属的防护
一般防护:
①改变金属内部结构,如制成合金;
②使金属与空气、水解物质隔离,如电镀、喷油漆等。
电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法——原电池保护
②外加电流的阴极保护法——电解保护
四、高考真题
2.(2
014·上海高考·12)如右图所示,将铁棒和石墨棒插入盛有饱和NaCl溶液的U形管中。
下列分析正确的是 ( )
A.K1闭合,铁棒上发生的反应为2H++2e-
H2↑
B.K1闭合,石墨棒周围溶液pH逐渐升高
C.K2闭合,铁棒不会被腐蚀,属于牺牲阳极的阴极保护法
D.K2闭合,电路中通过0.002NA个电子时,两极共产生0.001mol气体
【答案】B
【解析】K1闭合形成原电池,铁作负极,失电子被腐蚀,石墨电极是正极,氧气得电子变为OH-,pH逐渐升高,A错误、B正确;K2闭合,铁棒作阴极被保护,不会被腐蚀,属于外加电流的阴极保护法,C错误;K2闭合形成电解池,两极分别产生氯气和氢气,电路中通过0.002NA个电子时,每极上产生0.001mol气体,共0.002mol气体,D错误。
3.(2014·广东高考·11)某同学组装了如图所示的电化学装置。
电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,则 ( )
A.电流方向:
电极Ⅳ→
→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:
Cu2++2e-
Cu
【答案】A
【解析】电极Ⅰ是原电池的负极,电极Ⅱ是原电池的正极,电极Ⅲ是电解池的阳极,电极Ⅳ是电解池的阴极,故电流方向:
电极Ⅳ→
→电极Ⅰ,A正确;电极Ⅰ发生氧化反应,B错误;电极Ⅱ是原电池的正极,发生还原反应,有单质铜析出,C错误;电极Ⅲ是电解池的阳极,发生氧化反应,电极反应为Cu-2e-
Cu2+,D错误。
4.(2014·海南高考·3)以石墨为电极,电解KI溶液(其中含有少量酚酞和淀粉),下列说法错误的是 ( )
A.阴极附近溶液呈红色 B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色D.溶液的pH变小
【答案】D
【解析】惰性电极电解碘化钾溶液,阴极氢离子得
电子生成氢气,同时生成氢氧化钾,因此溶液变红(碱使酚酞变红),A、B说法正确;阳极产生碘单质,碘使淀粉变蓝,C说法正确;阴极氢离子得电子生成氢气,同时生
成氢氧化钾,碱性增强,D说法错误。
5.(2014·天津高考·1)化学与生产、生活息息相关,下列叙述错误的是 ( )
A.铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性
B.用聚乙烯塑料代替聚乳酸塑料可减少白色污染
C.大量燃烧化石燃料是
造成雾霾天气的一种重要因素
D.含重金属离子的电镀废液不能随意排放
【答案】B
【解析】铁表面镀锌时,锌作负极失电子,铁作正极被保护,所以可以增强铁的抗腐蚀性,A正确;聚乙烯在自然界中很难分解,可以造成白色污染,B错误;大量燃烧化石燃料会产生烟尘等污染物,造成雾霾天气,C正确;含有重金属离子的电镀废液能造成水污染,不能随意排放,D正确。
【解析】A项,原电池中阳离子向正极移动,则锂离子电池放电时,Li+向正极迁移,错误;B项,锂硫电池充电时,锂电极与外接电源的负极相连,锂电极上,Li+得电子发生还原反
应,正确;C项,锂硫电池放电时负极为Li,锂离子电池放电时负极为LixC,两种电池锂的变价不同,两种电池的负极材料不同,所以比能量不相同,错误;D项,充电时,正接正,负接负,所以Li电极接C电极,错误。
10.【2015四川理综化学】用右图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液PH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,下列说法不正确的是()
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式为:
Cl-+2OH--2e-=ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式为:
2H2O+2e-=H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:
2CN-+5ClO-+2H+=N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
【答案】D
【解析】A、阳极要产生ClO-,则铁只能作阴极,不能作阳极,否则就是铁失电子,A正确;B、阳极是Cl-失电子产生ClO-,电极反应式为:
Cl-+2OH--2e-=ClO-+H2O,B正确;C、阴极是H+产生H2,碱性溶液,故阴极的电极反应式为:
2H2O+2e-=H2↑+2OH-,C正确;D、溶液为碱性,方程式应为2CN-+5ClO-+H2O=N2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-。
选D。
13.【2015上海化学】研究电化学腐蚀及防护的装置如右图所示。
下列有关说法错误的是()
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为:
O2+2H2O+4e→4OH–
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为:
2H++2e→H2↑
【答案】D
【解析】由于活动性:
Fe>石墨,所以铁、石墨及海水构成原电池,Fe为负极,失去电子被氧化变为Fe2+进入溶液,溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原,比没有形成原电池时的速率快,正确。
B.d为石墨,由于是中性电解质,所以发生的是吸氧腐蚀,石墨上氧气得到电子,发生还原反应,电极反应为:
O2+2H2O+4e→4OH–,正确。
C.若d为锌块,则由于金属活动性:
Zn>Fe,Zn为原电池的负极,Fe为正极,首先被腐蚀的是Zn,铁得到保护,铁片不易被腐蚀,正确。
D.d为锌块,由于电解质为中性环境,发生的是吸氧腐蚀,在铁片上电极反应为:
O2+2H2O+4e→4OH–,错误。
14.【2015上海化学】(本题共12分)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。
下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。
完成下列填空:
(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位置补充,氢氧化钠溶液从图中位置流出。
(选填“a”、“b”、“c”或“d”)
(4)KClO3可以和草酸(H2C2O4)、硫酸反应生成高效的消毒杀菌剂ClO2,还生成CO2和KHSO4等物质。
写出该反应的化学方程式。
(5)室温下,0.1mol/LNaClO溶液的pH0.1mol/LNa2SO3溶液的pH。
(选填“大于”、“小于”或“等于”)。
浓度均为0.1mol/L的Na2SO3和Na2CO3的混合溶液中,SO32–、CO32–、HSO3–、HCO3–浓度从大到小的顺序为。
已知:
H2SO3Ki1=1.54×10-2Ki2=1.02×10-7
HClOKi1=2.95×10-8
H2CO3Ki1=4.3×10-7Ki2=5.6×10-11
【答案】
(1)2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
(2)阻止OH-进入阳极室,与Cl2发生副反应:
2NaOH+Cl2=NaCl+NaClO+H2O;阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
(3)a;d;
(4)2KClO3+H2C2O4+2H2SO4=2ClO2+2CO2+2KHSO4+2H2O.
(5)大于;SO32–>CO32–>HCO3–>HSO3–。
【解析】
(1)电解饱和食盐水时,溶液中的阳离子H+在阴极得到电子变为H2逸出,使附近的水溶液显碱性,溶液中的阴离子Cl-在阳极失去电子,发生氧化反应。
产生Cl2。
反应的离子方程式是2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
(2)图中的离子交换膜只允许阳离子通,是阳离子交换膜,可以允许阳离子通过,不能使阴离子通过,这样就可以阻止阴极溶液中的OH-进入阳极室,与氯气发生反应,阻止Cl-进入阴极室,使在阴极区产生的NaOH纯度更高。
同时可以阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
(3)随着电解的进行,溶质NaCl不断消耗,所以应该及时补充。
精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充,由于阴极H+不断放电,附近的溶液显碱性,氢氧化钠溶液从图中d位置流出;水不断消耗,所以从b口不断加入蒸馏水,从c位置流出的是稀的NaCl溶液。
(4)KClO3有氧化性,H2C2O4有还原性,在酸性条件下KClO3可以和草酸(H2C2O4)生成高效的消毒杀菌剂ClO2,还生成CO2和KHSO4等物质。
则根据电子守恒及原子守恒,可得该反应的化学方程式是:
2KClO3+H2C2O4+2H2SO4=2ClO2+2CO2+2KHSO4+2H2O.
(5)NaClO、Na2SO3都是强碱弱酸盐,弱酸根离子发生水解反应,消耗水电离产生的H+,破坏了水的电离平衡,当最终达到平衡时,溶液中c(OH-)>c(H+),所以溶液显碱性。
形成盐的酸越弱,盐水解程度就越大。
消耗的离子浓度越大,当溶液达到平衡时,剩余的离子浓度就越小。
由于H2SO3的Ki2=1.02×10-7;HClO的Ki1=2.95×10-8,所以酸性:
HSO3->HClO,因此溶液的pH:
NaClO>Na2SO3。
由于电离程度:
H2SO3>H2CO3>HSO3->HCO3-,浓度均为0.1mol/L的Na2SO3和Na2CO3的混合溶液中,水解程度:
CO32–>SO32–,所以离子浓度:
SO32–>CO32–;水解产生的离子浓度:
HCO3->HSO3-。
但是盐水解程度总的来说很小,主要以盐电离产生的离子存在。
所以在该溶液中SO32–、CO32–、HSO3–、HCO3–浓度从大到小的顺序为SO32–>CO32–>HCO3–>HSO3–。
五、试题精粹
3.(双选)用惰性电极电解下列溶液一段时间后再加入一定量的某种纯物质(括号内物质),能使溶液恢复到原来的成分和浓度的是
A.AgNO3(AgNO3)
B.NaOH(H2O)
C.KCl(KCl)
D.CuSO4(CuCO3)
【答案】BD
【解析】分析电解反应的原理,在两极析出什么物质(固体或气体),相当于什么物质脱离反应体系,就加入什么物质,即可使溶液完全复原。
A.4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3脱离反应体系的物质是4Ag+O2,相当于2Ag2O,所以应当加入适量Ag2O才能复原(加入AgNO3,会使NO3-的量增加)。
B.2H2O
2H2↑+O2↑脱离反应体系的是2H2↑+O2↑,相当于2H2O,加入适量水可以复原。
C.2KCl+2H2O
2KOH+H2↑+Cl2↑脱离反应体系的是H2+Cl2,相当于2HCl,应通入适量HCl气体才能复原(加入盐酸时,同时也增加了水)。
D.2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑脱离反应体系的是2Cu+O2,相当于2CuO,加入适量CuO可以复原,CuCO3也可以。
4.用惰性电极电解下列溶液,电解一段时间后,阴极质量增加,电解液的pH下降的是
A.CuSO4
B.NaOH
C.BaCl2
D.H2SO4
【答案】A
【解析】符合该题条件的电解质应为不活泼金属的含氧酸盐。
5.下列关于电解NaNO3溶液的叙述正确的是
A.随着电解的进行,溶液的pH减小
B.OH-向阳极移动,阳极附近溶液呈碱性
C.NO向阳极移动,Na+向阴极移动,分别在对应的电极上析出
D.阴极上H+得电子被还原成H2,使得阴极附近的溶液呈碱性
【答案】D
【解析】电解NaNO3溶液,实际上是电解水,故电解后溶液的pH不变;阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,由于OH-放电,使阳极附近溶液呈酸性,阴极:
2H++2e-===H2↑,由于H+放电,使阴极附近溶液呈碱性,故选D项。
6.按下图所示装置进行实验,并回答下列问题:
(1)判断装置的名称:
A池为______,B池为______。
(2)锌极为______极,电极反应式为______________;铜极为______极,电极反应式为_______________;石墨棒C1为______极,电极反应式为___________;石墨棒C2附近发生的实验现象为________________。
(3)当C2极析出224mL气体(标准状况)时,锌的质量________(填“增加”或“减少”)______g,CuSO4溶液的质量________(填“增加”或“减少”)______g。
【答案】
(1)原电池电解池
(2)负Zn-2e-===Zn2+正
Cu2++2e-==="Cu"阳2Cl--2e-===Cl2↑有无色气体产生,附近溶液出现红色(3)减少0.65增加0.01
【解析】A池中Zn、Cu放入CuSO4溶液中构成原电池,B池中两个电极均为石墨电极,在以A为电源的情况下构成电解池,即A原电池带动B电解池。
A池中Zn为负极,Cu为正极,B池中C1为阳极,C2为阴极,阴极区析出H2,周围OH-富集,酚酞变红,且n(H2)=
=0.01mol,故电路中转移电子的物质的量为0.01mol×2=0.02mol,根据得失电子守恒,锌极有0.01molZn溶解,即Zn极质量减少0.01mol×65g·mol-1=0.65g,铜极上有0.01molCu析出,即CuSO4溶液增加了0.01mol×(65g·mol-1-64g·mol-1)=0.01g。
7.如图是一个用铂丝作电极,电解稀的MgSO4溶
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- 第21单元 电解 金属的腐蚀与防护 21 单元 金属 腐蚀 防护