届高考化学一轮复习电解池 金属的腐蚀与防护学案.docx
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届高考化学一轮复习电解池金属的腐蚀与防护学案
第19讲 电解池 金属的腐蚀与防护
考纲要求
名师点拨
1.理解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
复习本讲时,要把握电解的规律,要注意分析通电前电解质溶液中有哪些阴阳离子;通电时阴离子移向阳极,阳离子移向阴极,并结合放电顺序分析谁先放电,写电极反应时应结合题目要求分析电解结果,如电极现象,水的电离平衡移动,离子浓度变化,pH变化等。
对于多池串并联的装置,要依据装置中是否有自发的氧化还原反应判断装置的类型、电极及电极反应等。
计算时找准计算的依据,根据具体题目特点,灵活运用,电子守恒、关系式、电极反应式,总反应式等进行有关计算。
考点一 电解原理及规律
1.电解的概念
让直流电通过电解质溶液或熔融电解质,在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
2.电解池
(1)定义:
电解池是把__电能__转变为__化学能__的装置。
(2)电解池的构成条件:
①有外接__直流__电源。
②有与__电源__相连的两个电极
③形成闭合回路。
④电解质溶液或__熔融__电解质。
(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)。
总反应方程式:
CuCl2
Cu+Cl2↑
(4)电解原理示意图
__阴__离子移向 __阳__离子移向
3.电解池电极反应式的书写步骤与方法
|
|
特别提醒:
(1)判断电解产物、书写电极反应式以及分析电解质溶液的变化时首先要注意阳极是活性材料还是惰性材料。
(2)书写电解化学方程式时,应看清是电解电解质的水溶液还是熔融电解质。
Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+只有在熔融状态下才放电。
4.判断电解池阴、阳极的常用方法
判断方法
阳极
阴极
与电源连接
与正极相连
与负极相连
闭合
回路
导线中
电子流出
电子流入
电解质溶液中
阳离子移离
阳离子移向
阴离子移向
阴离子移离
电极
反应
得失电子
失电子
得电子
化合价
升高
降低
反应类型
氧化反应
还原反应
电极质量
减小或不变
增大或不变
5.离子放电顺序与惰性电极电解电解质溶液的类型
6.电解过程中离子浓度的变化规律
(1)若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大。
(2)若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大。
(3)若阴、阳两极同时有H+、OH-放电,相当于电解水,溶质离子的浓度增大。
7.以惰性电极电解电解质的规律
类型
实例
阴、阳极电
极反应
总反应
方程式
pH
电解质
溶液复原
电解
水型
NaOH
2H++2e-===H2↑、
4OH--4e-===2H2O+O2↑
2H2O
2H2↑+O2↑
增大
加水
H2SO4
减小
加水
Na2SO4
不变
加水
电解
电解
质型
HCl
2H++2e-===H2↑、2Cl--2e-===Cl2↑
2HCl
H2↑+Cl2↑
增大
加氯
化氢
CuCl2
Cu2++2e-===Cu、2Cl--2e-===Cl2↑
CuCl2
Cu+Cl2↑
-
加氯
化铜
放H2
生碱型
NaCl
2H++2e-===H2↑、
2Cl--2e-===Cl2↑
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
增大
加氯
化氢
放O2
生酸型
CuSO4
Cu2++2e-===Cu、
4OH--4e-===O2↑+2H2O
2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑
减小
加氧
化铜
方法点拨:
(1)电解时溶液pH的变化规律。
①若电解时阴极上产生H2,阳极上无O2产生,电解后溶液pH增大;
②若阴极上无H2产生,阳极上产生O2,则电解后溶液pH减小;
③若阴极上有H2产生,阳极上有O2产生,且VH2=2VO2,则有“酸更酸,碱更碱,中性就不变”,即:
a.如果原溶液是酸溶液,则pH变小;
b.如果原溶液为碱溶液,则pH变大;
c.如果原溶液为中性溶液,则电解后pH不变。
(2)电解质溶液的复原措施。
电解后的溶液恢复到原状态,出什么加什么(即一般加入阴极产物与阳极产物的化合物)。
如用惰性电极电解盐酸(足量)一段时间后,若使溶液复原,应通入HCl气体而不能加入盐酸。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)任何化学反应都可以设计成电解池反应( × )
(2)Zn+H2SO4===ZnSO4+H2↑能设计成电解池( √ )
提示:
电解池是把电能转化为化学能,所以不论自发、不自发进行的氧化还原反应理论上均可设计成电解池;如有Zn作阳极、惰性电极作阴极,电解硫酸溶液,电池反应即为上述反应。
(3)阴极不管是什么材料,电极本身都不反应( √ )
提示:
阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液中的阳离子放电。
(4)阳极不管是什么材料,电极本身都不反应( × )
提示:
阳极如果是活性电极,电极本身参加反应。
(5)电解过程中阴离子向阴极定向移动( × )
提示:
电解过程中阴离子向阳极定向移动,阳离子向阴极定向移动。
(6)用惰性电极电解饱和食盐水,溶液的pH不变( × )
(7)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应( × )
(8)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现( √ )
(9)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色( × )
(10)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大( × )
(11)用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,加入Cu(OH)2可使电解质溶液恢复到电解前的情况( × )
(12)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程( √ )
(13)用铜作电极电解CuSO4溶液的方程式为
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+( × )
2.问题思考:
电解质溶液通电时,一定会发生化学反应吗?
为什么?
提示:
一定发生化学反应。
因为在电解池的阴极、阳极分别发生还原反应和氧化反应,发生了电子的转移,生成了新物质,所以一定有化学反应发生。
3.探究电解规律(用惰性电极电解)
(1)电解水型①试写出电解下列溶液的电解方程式
稀硫酸:
2H2O
2H2↑+O2↑ ;
NaOH:
2H2O
2H2↑+O2↑ ;
KNO3:
2H2O
2H2↑+O2↑ 。
②分析“电解水型”的电解质包括哪些类型:
__含氧酸、强碱和活泼金属的含氧酸盐__。
(2)电解电解质型
电解质溶液
HBr
CuCl2
阴极反应
① 2H++2e-===H2↑
② Cu2++2e-===Cu
阳极反应
③ 2Br--2e-===Br2
④ 2Cl--2e-===Cl2↑
电解反应
⑤ 2HBr
H2↑+Br2
⑥ CuCl2
Cu+Cl2↑
溶液复原
加⑦__适量HBr__
加⑧__适量CuCl2__
分析“电解电解质型”的电解质包括哪些类型⑨__无氧酸(除HF)和不活泼金属的无氧酸盐(除氟化物)__。
(3)放H2生碱型
①电解NaCl溶液:
阴极反应:
2H++2e-===H2↑ ;
阳极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑ ;
电解反应离子方程式 2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH- 。
电解一段时间后,NaCl溶液恢复原状的方法:
__通HCl__。
②分析“放H2生碱型”的电解质包括哪些类型:
__活泼金属的无氧酸盐(除氟化物)__。
(4)放O2生酸型
①电解CuSO4溶液
阴极反应 2Cu2++4e-===2Cu ;
阳极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O ;
电解反应离子方程式:
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+ ;
电解一段时间后,CuSO4溶液恢复原状的方法__加CuO(CuCO3)__。
②分析“放O2生酸型”电解质包括哪些类型:
__不活泼金属的含氧酸盐__。
1.(2019·十堰模拟)某小组为研究电化学原理,设计了甲、乙、丙三种装置(C1、C2、C3均为石墨)。
下列叙述正确的是( C )
A.甲、丙中化学能转化为电能,乙中电能转化为化学能
B.C1、C2分别是阳极、阴极;铜片、铁片上都发生氧化反应
C.C1上和C3上放出的气体相同,铜片上和铁片上放出的气体也相同
D.甲中溶液的pH逐渐增大,丙中溶液的pH逐渐减小
[解析] A项,甲没有外接电源,是将化学能转化为电能的装置,为原电池;乙、丙有外接电源,是将电能转化为化学能的装置,为电解池,错误。
B项,C1、C2分别连接电源的正、负极,分别是电解池的阳极、阴极;锌片作负极发生氧化反应,铁片作阴极发生还原反应,错误。
C项,C1和C3都是阳极,氯离子在阳极上失电子生成氯气,铜片上和铁片上都是氢离子得电子生成氢气,正确。
D项,甲中正极和丙中阴极上都是氢离子得电子生成氢气,随着反应的进行,溶液的pH均增大,错误。
2.
(2019·贵州遵义一中训练)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极板上有无色无味的气体放出,符合这一情况的是( A )
a极板
b极板
X电极
Z
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
负极
NaOH
C
银
铁
正极
AgNO3
D
铜
石墨
负极
CuCl2
[解析] 该装置是电解池,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,说明a电极是阴极、b电极是阳极,则X是负极、Y是正极;阳极上氢氧根离子放电生成氧气,则阳极应该是惰性电极;阴极上析出金属,在金属活动性顺序中该金属应该位于H元素之后。
A项,X是负极,Zn是阴极、石墨是阳极,阳极上氢氧根离子放电生成氧气、阴极上铜离子放电生成Cu,A项正确;B项,用惰性电极电解NaOH溶液,电极上没有固体生成,B项错误;C项,X是正极,则a为阳极,a极上不会有固体生成,C项错误;D项,阳极上氯离子失电子生成氯气,氯气为有刺激性气味的黄绿色气体,不符合题意,D项错误。
3.(2019·贵州贵阳一中高三质检)用铅蓄电池来电解200mL某浓度的硫酸铜溶液(电极均为石墨)一段时间后,加入0.1mol氢氧化铜可以使溶液恢复到原来状态。
下列说法正确的是( B )
A.阴极产生3.36L产生(标准状况下)
B.电路中转移电子数为0.4NA
C.原硫酸铜溶液的浓度为0.1mol·L-1
D.铅蓄电池的正极增重19.2g
[解析] Cu(OH)2从组成上可看成CuO·H2O,加入0.1molCu(OH)2后恰好使电解质溶液恢复到电解前的状态,即电解生成了0.1molCu,并电解了0.1molH2O,由电解的化学方程式可知:
2H2O+2CuSO4
2Cu + O2↑+2H2SO4 转移电子
2mol2mol1mol4mol
0.1mol0.1mol0.05mol0.2mol
2H2O
2H2↑ + O2↑ 转移电子
2mol2mol1mol4mol
0.1mol0.1mol0.05mol0.2mol
所以电解过程中共转移电子0.4mol;阴极产生2.24L氢气(标准状况下);原硫酸铜溶液的浓度为
=0.05mol·L-1;铅蓄电池的正极反应式为PbO2+2e-+SO
+4H+===PbSO4+2H2O,所以正极增重0.2mol×64g·mol-1=12.8g。
萃取精华:
电化学的计算技巧
原电池和电解池的相关计算,主要包括两极产物的定量计算、相对原子质量的计算、阿伏加德罗常数测定的计算、溶液pH的计算,根据产物的量求电量及根据电量求产物的量等。
在进行有关计算时,可运用以下基本方法:
(1)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出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算。
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是各电极上转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算。
根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总揽电化学计算的作用,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
提示:
在电化学计算中,还常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。
4.(2018·课标Ⅰ,13)
最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。
示意图如下所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:
①EDTA-Fe2+-e-===EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S===2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是( C )
A.阴极的电极反应:
CO2+2H++2e-===CO+H2O
B.协同转化总反应:
CO2+H2S===CO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
[解析] 由题中信息可知,石墨烯电极发生氧化反应,为电解池的阳极,则ZnO@石墨烯电极为阴极。
C错:
阳极接电源正极,电势高,阴极接电源负极,电势低,故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高。
A对:
由题图可知,电解时阴极反应式为CO2+2H++2e-===CO+H2O。
B对:
将阴、阳两极反应式合并可得总反应式为CO2+H2S===CO+H2O+S。
D对:
Fe3+、Fe2+只能存在于酸性溶液中。
5.按要求书写有关的电极反应式及总方程式
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液:
阳极反应式 4OH--4e-===O2↑+2H2O ;
阴极反应式 4Ag++4e-===4Ag ;
总反应离子方程式 4Ag++2H2O
4Ag+O2↑+4H+ 。
(2)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑ ;
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ ;
总反应离子方程式 Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑ 。
(3)用铁作电极电解NaCl溶液
阳极反应式 Fe-2e-===Fe2+ ;
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ ;
总反应离子方程式 Fe+2H2O
Fe(OH)2↓+H2↑ 。
(4)用铜作电极电解盐酸溶液
阳极反应式 Cu-2e-===Cu2+ ;
阴极反应式 2H++2e-===H2↑ ;
总反应离子方程式 Cu+2H+
Cu2++H2↑ 。
(5)用Al作电极电解NaOH溶液
阳极反应式 2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O ;
阴极反应式 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-(或6H++6e-===3H2↑) ;
总反应离子方程式 2Al+2H2O+2OH-
2AlO
+3H2↑ 。
(6)用Al作阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式 2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+ ;
阴极反应式 6H++6e-===3H2↑ ;
总反应离子方程式 2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑ 。
(7)用Al作阳极,石墨作阴极,电解NaHCO3溶液
阳极反应式 2Al+6HCO
-6e-===2Al(OH)3↓+6CO2↑ ;
阴极反应式 6H++6e-===3H2↑(或6H2O+6e-===3H2↑+6OH-) 。
(8)用惰性电极电解熔融MgCl2
阳极反应式 2Cl--2e-===Cl2↑ ;
阴极反应式 Mg2++2e-===Mg ;
总反应离子方程式 Mg2++2Cl-
Mg+Cl2↑ 。
6.(2015·山东·29)
利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。
利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为__LiOH__溶液(填化学式),阳极电极反应式为 2Cl--2e-===Cl2↑ ,电解过程中Li+向__B__电极迁移(填“A”或“B”)。
[解析] B极区产生H2,同时生成LiOH,则B极区电解液为LiOH溶液;电极A为阳极,阳极区电解液为LiCl溶液,根据放电顺序,阳极上Cl-失去电子,则阳极电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑;根据电流方向,电解过程中Li+向B电极迁移。
萃取精华:
1.规避电解池中化学方程式书写的四个易失分点
(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,弱电解质要写成化学式。
(2)电极反应的书写首先根据题干要求及信息大胆写出反应物和生成物,然后根据“阴得阳失”加上得失电子数目,最后根据电解质溶液酸碱性补上H+、OH-或H2O,依据电荷守恒配平。
(3)注意运用H+、OH-、H2O进行配平:
电解池电极反应中,如果是H+、OH-放电,不论溶液酸碱性则一定写H+、OH-得、失电子,其他情况下酸性溶液中一定不能存在OH-,同理在碱性溶液中一定不能存在H+。
(4)要确保两极得失电子数目相等,且注明条件“通电”。
2.做到“三看”,正确书写电极反应式
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属一定被氧化(注:
Fe生成Fe2+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
(3)三看电解质状态,若是熔融状态,就是金属的电冶炼。
7.(2016·湖北八校联考)
下图所示的四个容器中分别盛有不同的溶液,除a、b外,其余电极均为石墨电极。
甲为铅蓄电池,其工作原理为Pb+PbO2+2H2SO4
2PbSO4+2H2O,两个电极的电极材料分别为PbO2和Pb。
闭合开关K,发现g电极附近的溶液先变红色,20min后,将K断开,此时c、d两极上产生的气体体积相同。
请回答下列问题:
(1)a电极的电极材料是__PbO2__(填“PbO2”或“Pb”)。
(2)丙装置中发生电解的总反应方程式为 2H2O
2H2↑+O2↑ 。
(3)电解20min后,停止电解,此时要使乙中溶液恢复到原来的状态,需加入的物质及其物质的量是__0.1_mol_Cu(OH)2或0.1_mol_CuO和0.1_mol_H2O__。
(4)20min后将乙装置与其他装置断开,然后在c、d两极间连接上灵敏电流计,发现电流计指针偏转,则此时c电极为__负__极,d电极上发生的电极反应为 O2+4H++4e-===2H2O 。
(5)电解后冷却至常温,取amL丁装置中的溶液,向其中逐滴加入等物质的量浓度的CH3COOH溶液,当加入bmLCH3COOH溶液时,混合溶液的pH恰好等于7(体积变化忽略不计)。
已知CH3COOH的电离平衡常数为1.75×10-5,则
=
。
[解析] 本题主要考查了电解原理及溶液中离子平衡的相关计算等。
g电极附近的溶液先变红色,说明g为阴极,依次可推出h为阳极,a为正极,b为负极,c为阴极,d为阳极,e为阴极,f为阳极。
(1)a为正极,铅蓄电池的正极材料为PbO2。
(2)Al2(SO4)3为活泼金属的含氧酸盐,电解其水溶液的实质是电解水。
(3)阴极上先析出Cu,溶液中Cu2+反应完后,阴极上开始产生H2,阳极上始终产生O2,设两极均产生气体amol,根据得失电子守恒可得4a=0.1×2+2a,解得a=0.1,即电解过程中析出了0.1molCu、0.1molH2和0.1molO2,要使电解质溶液复原,根据“析出什么补什么”知,需要加入0.1molCu(OH)2或0.1molCuO和0.1molH2O。
(4)电解20min后,c电极处有H2生成,d电极处有O2生成,电解质溶液为H2SO4溶液,断开K,c、d两极间连接上灵敏电流计后形成氢氧燃料电池,c电极作负极,d电极作正极,发生的电极反应为O2+4H++4e-===2H2O。
(5)电解过程中共转移了0.4mol电子,电解后丁装置中的溶液为NaOH溶液。
加入bmLCH3COOH溶液时,混合溶液的pH
=7,则溶液中c(OH-)=c(H+),根据电荷守恒有c(CH3COO-)+c(OH-)=c(H+)+c(Na+),故c(CH3COO-)=c(Na+)。
K=1.75×10-5=
,c(H+)=1×10-7mol·L-1,则c(CH3COOH)=
c(CH3COO-),混合溶液中
=
=
,由于NaOH溶液与CH3COOH溶液等浓度混合,故
=
。
考点二 电解原理的应用
1.电解饱和食盐水
阴极:
电极反应式:
2H++2e-===H2↑
反应类型:
__还原__反应。
阳极:
电极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑
反应类型:
__氧化__反应。
总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
(2)装置
装置
离子交换膜电解槽
阳极
钛网(涂有钛、钌等氧化物涂层)
阴极
碳钢网
阳离子
交换膜
①只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过
②将电解槽隔成阳极室和阴极室
2.电解精炼铜
—
注意:
电解精炼铜时,阳极质量减小,阴极质量增加,溶液中的Cu2+浓度减小。
3.电镀铜
4.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
特别提醒:
(1)氯碱工业所用的饱和食盐水需要精制,除去NaCl中混有的Ca2+、Mg2+、SO
。
(2)电镀铜时,电解质溶液中c(Cu2+)不变;电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)减小。
(3)电解熔融MgCl2冶炼镁,而不能电解MgO冶炼镁,是因为MgO的熔点很高;电解熔融Al2O3冶炼铝,而不能电解AlCl3冶炼铝,是因为AlCl3是共价化合物,其熔融态不导电。
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料( × )
(2)电解精炼铜时,同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小( √ )
(3)在镀件上电镀铜时,镀件应连接电源的正极( × )
(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可电解MgO和AlCl3( × )
(5)Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑可以设计成电解池,但不能设计成原电池( √ )
(6)用铜作阳极、石墨作阴极电解CuCl2溶液时,阳极电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑( × )
提示:
活泼金属作阳极时,金属首先失电子被氧化,故阳极反应为Cu-2e-===Cu2+。
(7)镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比受损前更容易生
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