电解池金属的腐蚀与防护.docx

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电解池金属的腐蚀与防护

课时3　电解池、金属的腐蚀与防护

1．理解电解池的构成、工作原理及应用。

2.能写出电极反应和电池反应方程式。

3.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。

考点一　电解原理

（考点层次B→共研、理解、整合）

1．电解

在电流作用下，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。

提醒：

注意电解与电离两概念的联系与区别

联系：

电解是在电解质电离的基础上完成的。

区别：

电解需外加电源，是化学过程，电离一般在水溶液或熔融状态下完成，为物理过程。

2．电解池

（1）构成条件

①有与电源相连的两个电极。

②电解质溶液（或熔融盐）。

③形成闭合回路。

（2）电极名称及电极反应式（如图）

（3）电子和离子移动方向

①电子：

从电源负极流向电解池的阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。

②离子：

阳离子移向电解池的阴极；阴离子移向电解池的阳极。

电子和离子移动方向图示

提醒：

正确理解电子不下水（电解质溶液）。

3．电解过程思维程序

（1）首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。

（2）再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴、阳两组。

提醒：

不要忘记水溶液中的H＋和OH－，不要把H＋、OH－误加到熔融电解质中。

（3）然后排出阴、阳两极的放电顺序

阴极：

阳离子放电顺序Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋（酸）>Fe2＋>Zn2＋>H＋（水）>Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋。

阳极：

活泼电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。

提醒：

①“活泼电极”一般指Pt、Au以外的金属。

②最常用的放电顺序：

阳极：

活泼金属＞Cl－＞OH－；阴极：

Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋。

（4）分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。

（5）最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

教材

高考

1．（SJ选修4·P221改编）判断正误

（1）电解池的阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应（√）

（2）直流电源跟电解池连接后，电子从电源负极流向电解池阳极（×）

（3）电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极（×）

（4）电解NaNO3溶液时，随着电解进行，溶液的pH减小（×）

2．（RJ选修4·P836改编）1L1mol·L－1的AgNO3溶液在以银为阳极，铁为阴极的电解槽中电解，当阴极增重2.16g时，下列判断不正确的是（　　）

A．此时溶液呈酸性

B．阳极上产生112mLO2

C．转移的电子数是1.204×1022

D．反应中有0.02mol金属被氧化

答案　B

3．（溯源题）（2016·北京理综，12）用石墨电极完成下列电解实验。

实验一

实验二

装置

现象

a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化

两个石墨电极附近有气泡产生；n处有气泡产生；……

下列对实验现象的解释或推测不合理的是②。

①a、d处：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

②b处：

2Cl－－2e－===Cl2↑

③c处发生了反应：

Fe－2e－===Fe2＋

④根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜

探源：

本考题源于SJ选修4P19“图121电解氯化铜溶液示意图”演示实验，对电解正负极的判断；电解和电离的区别，电极方程式的书写以及电解现象等方面进行考查。

题组一　电解基本原理及规律

1．基础知识判断，正确的打“√”，错误的打“×”

（1）任何化学反应都可以设计成电解池反应（×）

（2）电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程（√）

（3）某些不能自发进行的氧化还原反应，通过电解可以实现（√）

（4）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（×）

（5）电解盐酸、硫酸等溶液，H＋放电，溶液的pH逐渐增大（×）

（6）电解时，电解液中阳离子移向阳极，发生还原反应（×）

（7）用惰性电极电解饱和食盐水，溶液的pH不变（×）

（8）用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后，加入Cu（OH）2一定能使电解质溶液恢复到电解前的情况（×）

2．某同学将电解池工作时电子、离子流动方向及电极种类等信息表示在下图中，下列有关分析完全正确的是（　　）

A

B

C

D

a电极

阳极

阴极

阳极

阴极

d电极

正极

正极

负极

负极

Q离子

阳离子

阳离子

阴离子

阴离子

解析　电子由电源的负极流出，故a是阴极、d是正极，溶液中阳离子移向阴极。

答案　B

3．下列关于电解Na2SO4溶液的叙述正确的是（　　）

A．随着电解的进行，溶液的pH升高

B．OH－向阳极移动，阳极附近溶液呈碱性

C．SO

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，使阴极附近的溶液呈碱性

解析　电解Na2SO4溶液，实质上发生的是2H2O

2H2↑＋O2↑，电解的过程中溶液pH不变，A项错；阳极因4OH－－4e－===O2↑＋2H2O而破坏附近水的电离使c（H＋）＞c（OH－）呈酸性，B项错；在阴、阳极上分别是H＋、OH－放电，C项错。

答案　D

4．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依次为升高、不变、降低的是（　　）

A．AgNO3　CuCl2　Cu（NO3）2

B．KCl　Na2SO4　CuSO4

C．CaCl2　KOH　NaNO3

D．HCl　HNO3　K2SO4

解析　由电解电解质溶液的四种类型可知：

类型

化学物质

pH变化

放O2生酸型

CuSO4、AgNO3、Cu（NO3）2

降低

放H2生碱型

KCl、CaCl2

升高

电解电解质型

CuCl2

升高

HCl

升高

电解H2O型

NaNO3、Na2SO4、K2SO4

不变

KOH

升高

HNO3

降低

答案　B

【归纳总结】

以惰性电极电解电解质溶液的类型和规律

类型

电极反应特点

类别（实例）

电解

对象

电解质

浓度

pH

电解质溶液复原

电解水型

阴：

4H＋＋4e－===2H2↑（或4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑）

阳：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑（或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑）

强碱（如NaOH）

水

增大

增大

加水

含氧酸（如H2SO4）

水

增大

减小

加水

活泼金属的含氧酸盐（如Na2SO4、

KNO3）

水

增大

不变

加水

电解

电解

质型

电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电

无氧酸（如

HCl），除HF外

电解质

减小

增大

通氯化氢

不活泼金属的无氧酸盐（如CuCl2），

电解质

减小

加氯化铜

放H2

生碱

型

阴极：

H2O放H2生碱

阳极：

电解质阴离子放电

活泼金属的无氧酸盐（如NaCl）

电解质

和水

生成新

电解质

增大

通氯化氢

放O2

生酸

型

阴极：

电解质阳离子放电

阳极：

H2O放O2生酸

不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4）

电解质和水

生成新

电解质

减小

加氧化铜

或碳酸铜

拓展

根据以上电解规律判断由H＋、K＋、Mg2＋、Ag＋、Cu2＋、NO

、Cl－、OH－所组成的电解质溶液中，电解对象为水的电解质的化学式为HNO3、KNO3、Mg（NO3）2、KOH，电解质本身放电的为HCl、CuCl2。

题组二　重点突破：

电极方程式的判断与书写

5．下列离子方程式书写正确的是（　　）

A．用Cu片作阳极电解饱和食盐水

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

B．用两个铜片作电极电解AgNO3溶液：

4Ag＋＋2H2O

Ag＋O2↑＋4H＋

C.用石墨作电极电解AlCl3溶液：

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

D．用石墨作电极电解CuSO4溶液

2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋

解析　A项，用Cu作阳极电解饱和食盐水，Cu电极本身失电子：

Cu－2e－===Cu2＋，阴极2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，二者相加得Cu＋2H2O

Cu（OH）2＋H2↑；B项，铜在阳极失电子，Cu－2e－===Cu2＋，阴极为2Ag＋＋2e－===2Ag，总电解反应为Cu＋2Ag＋

Cu2＋＋2Ag；C项，阴极6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，阳极6Cl－－6e－===3Cl2↑，得6Cl－＋6H2O

3Cl2↑＋3H2↑＋6OH－，6Cl－对应2Al3＋，2Al3＋＋6OH－===2Al（OH）3↓，所以离子方程式为：

2Al3＋＋6Cl－＋6H2O

3Cl2↑＋3H2↑＋2Al（OH）3↓。

答案　D

6．

（1）用惰性电极电解AgNO3溶液：

阳极反应式____________________________________________________

阴极反应式____________________________________________________

总反应离子方程式______________________________________________

（2）用Al作电极电解NaOH溶液

阳极反应式____________________________________________________

阴极反应式____________________________________________________

总反应离子方程式______________________________________________

（3）MnO2可作超级电容器材料。

用惰性电极电解MnSO4溶液可制得MnO2，其阳极的电极反应式是_____________________________________________。

（4）将烧碱吸收H2S后的溶液加入到如图所示的电解池的阳极区进行电解。

电解过程中阳极区发生如下反应：

S2－－2e－===S

（n－1）S＋S2－===S

①写出电解时阴极的电极反应式：

_______________________________。

②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质，其离子方程式可写成_________________________________________________________________。

答案　

（1）4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

4Ag＋＋4e－===4Ag

4Ag＋＋2H2O

4Ag＋O2↑＋4H＋

（2）2Al－6e－＋8OH－===2AlO

＋4H2O　6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－或6H＋＋6e－===3H2↑

2Al＋2OH－＋2H2O

3H2↑＋2AlO

（3）Mn2＋＋2H2O－2e－===MnO2＋4H＋

（4）①2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

②S

＋2H＋===（n－1）S↓＋H2S↑

【反思归纳】

1．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，金属一定被电解（注Fe生成Fe2＋而不是生成Fe3＋）。

（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。

2．规避“四个”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，弱电解质要写成分子式。

（2）要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。

（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。

（4）当电解池的电极材料为活性电极时，则阳极为电极本身失电子，不能再用电解规律。

考点二　电解原理的应用

（考点层次B→共研、理解、整合）

1．电解饱和食盐水

（1）电极反应

阳极反应式：

2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）

阴极反应式：

2H＋＋2e－===H2↑（还原反应）

（2）总反应方程式

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

离子反应方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑

（3）应用：

氯碱工业制烧碱、氢气和氯气

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

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

总方程式

阳极、阴极反应式

冶炼钠

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

2Cl－－2e－===Cl2↑

2Na＋＋2e－===2Na

冶炼镁

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

2Cl－－2e－===Cl2↑

Mg2＋＋2e－===Mg

冶炼铝

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

6O2－－12e－===3O2↑

4Al3＋＋12e－===4Al

教材

高考

1．判断（SJ选修4·P271改编）

（1）在镀件上镀铜时镀件作阳极（×）

（2）用电解法精炼粗镍时粗镍作阴极（×）

（3）用惰性电极电解饱和食盐水时，能使酚酞变红的为电解池的阳极（×）

（4）电解熔融氯化钠制钠时不能用铜作阳极（√）

2．（RJ选修4·P834改编）电解法精炼含有Fe、Zn、Ag等杂质的粗铜。

下列叙述正确的是（　　）

A．电解时以硫酸铜溶液作电解液，精铜作阳极

B．粗铜与电源负极相连，发生氧化反应

C．阴极上发生的反应是Cu2＋＋2e－===Cu

D．电解后Fe、Zn、Ag等杂质会沉积在电解槽底部形成阳极泥

答案　C

3．（2016·课标全国Ⅰ，11）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO

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。

判断下列叙述是否正确

（1）通电后中间隔室的SO

离子向正极迁移，正极区溶液pH增大（×）

（2）该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品（√）

（3）负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低（×）

（4）当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成（×）

【名师评析】

考点

电化学基础

知识点

电解原理的应用，涉及电解原理、电解液中离子移动方向、电极方程式的书写、电子转移（守恒）等知识。

能力读解

考查信息运用以及应用所学知识解决实际问题的能力。

难度（区分度）

中等，预测区分度为0.58。

评价

从多角度考查了电化学基础知识。

突出了知识重点，而且考查了运用信息的能力，但在电解池中，正、负极区的说法与平时教学不太吻合，给解题带来难度。

学习启示

加强电化学基础教学，提高获取信息的能力，注意引导灵活掌握知识（如四电极的统一）。

探源：

本题源于SJ选修4P20“交流与讨论”与“观察与思考”及其知识拓展，对电解原理在废水处理上的应用进行了考查。

题组一　源于教材的电解原理基本应用

1．判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

（1）Cu＋H2SO4===CuSO4＋H2↑可以设计成电解池，但不能设计成原电池（√）

（2）电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料（×）

（3）根据得失电子守恒可知电解精炼铜时，阳极减少的质量和阴极增加的质量相等（×）

（4）任何水溶液电解时，必须导致氧化还原反应（√）

（5）用铜做阳极、石墨做阴极电解CuCl2溶液时，阳极电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑（×）

（6）用惰性电极电解MgCl2溶液所发生反应的离子方程式为2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－（×）

（7）粗铜电解精炼时，若电路中通过2mole－，阳极减少64g（×）

（8）电镀铜时，Cu2＋浓度不变，电解精炼铜时，CuSO4溶液中Cu2＋浓度降低（√）

2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。

下列说法正确的是（　　）

A．氯碱工业中，X电极上反应式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋浓度不变

C．在铁片上镀铜时，Y是纯铜

D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁

解析　氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，阴极Cu2＋放电析出Cu，溶液中Cu2＋浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜。

答案　D

【易错警示】

1．阳离子交换膜（以电解NaCl溶液为例），只允许阳离子（Na＋）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和分子（Cl2）通过，这样既能防止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO，影响烧碱质量。

2．电解或电镀时，电极质量减少的电极必为金属电极——阳极；电极质量增加的电极必为阴极，即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。

3．电解精炼铜，粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子，变成金属阳离子进入溶液，其活泼性小于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。

电解过程中电解质溶液中的Cu2＋浓度会逐渐减小。

拓展

氯碱工业中如果去掉离子交换膜，最终所得溶质为NaClO，写出它的一种用途杀菌消毒。

题组二　电解原理在工农业生产中的拓展应用

3．（污水处理）（2016·云南二测）某化工厂利用原电池原理处理废水并淡化海水。

工作示意图如下。

下列说法正确的是（　　）

A．电极a在装置中作正极

B．装置中膜A是阳离子交换膜

C．电极b的电极反应式是2NO

＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O

D．若有机物表示为C4H8O2，每转移10mol电子，电极a上产生22.4LCO2（标准状况）

解析　在电极a上，有机物被氧化为CO2，该电极上发生氧化反应，则电极a为原电池的负极，A项错误；NO

在电极b上被还原为无毒气体N2，则电极b为原电池的正极，其电极反应式为2NO

＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，C项正确；电极b上消耗溶液中的阳离子，故海水中的阳离子通过膜B（阳离子交换膜）进正极室，而海水中的阴离子透过膜A（阴离子交换膜）进入负极室，B项错误；C4H8O2中的C为－1价，转移10mol电子时，电极a上产生2molCO2气体，D项错误。

答案　C

4．（物质制备）

（1）（2017·重庆一中月考）现代工业生产中常用电解氯化亚铁溶液的方法制得氯化铁溶液吸收有毒的硫化氢气体。

工艺原理如图所示。

下列说法中不正确的是（　　）

A．左槽中发生的反应为2Cl－－2e－===Cl2↑

B．右槽中的反应式：

2H＋＋2e－===H2↑

C．H＋从电解池左槽迁移到右槽

D．FeCl3溶液可以循环利用

（2）H3PO2也可用电渗析法制备。

“四室电渗析法”工作原理如图所示（阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过）：

①写出阳极的电极反应式_____________________________________。

②分析产品室可得到H3PO2的原因_____________________________。

③早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。

并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。

其缺点是产品中混有________杂质。

该杂质产生的原因是：

___________________________________________________________________。

解析　

（1）根据装置图可知Fe2＋在电解池的左槽中被氧化生成Fe3＋，则左槽是电解池的阳极，右槽是电解池的阴极。

阳极（左槽）的电极反应式为Fe2＋－e－===Fe3＋，A项错误；阴极（右槽）的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，B项正确；电解池中H＋从电解池阳极（左槽）迁移到阴极（右槽），C项正确；反应池中的反应为2FeCl3＋H2S===2FeCl2＋2HCl＋S↓，故FeCl3溶液可循环利用，D项正确。

（2）①阳极发生氧化反应，由于OH－的放电性大于SO

，则在反应中OH－失去电子，电极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。

②阳极室H2O放电产生H＋，H＋进入产品室，原料室中的H2PO

穿过阴膜扩散至产品室，两者发生反应：

H＋＋H2PO

H3PO2。

③如果撤去阳膜，H2PO

或H3PO2可能被氧化为PO

。

答案　

（1）A

（2）①2H2O－4e－===O2↑＋4H＋

②阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO

穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2

③PO

　H2PO

或H3PO2被氧化

题组三　电解过程中的定量计算

5．（2017·雅礼月考）用惰性电极电解100mLCuSO4溶液一段时间后，可以通过添加0.1molCu（OH）2将溶液的量与浓度完全复原，则电解时电路中通过的电子为（　　）

A．0.1mol　　　　　　　B．0.2mol

C．0.4mol　　D．0.8mol

解析　本题解题关键是通过加入Cu（OH）2将溶液完全复原这一信息，确定该电解过程分为两个过程，分别为电解CuSO4溶液和H2O，可分别进行计算。

根据题意知，通过添加0.1molCu（OH）2将溶液的量与浓度完全复原，可知电解时Cu2＋放电完全，且电解了一部分水。

由0.1molCu（OH）2可知，电解时阴极产生了0.1molCu和0.1molH2，结合电极反应式知，通过的电子为0.4mol。

答案　C

6．500mLKNO3和Cu（NO3）2的混合溶液中c（NO

）＝0.6mol·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24L气体（标准状况下），假定电解后溶液体积仍为500mL，下列说法正确的是（　　）

A．原混合溶液中c（K＋）为0.2mol·L－1

B．上述电解过程中共转移0.2mol电子

C．电解得到的Cu的物质的量为0.05mol

D．电解后溶液中c（H＋）为0.2mol·L－1

解析　石墨作电极电解KNO3和Cu（NO3）2的混合溶液，阳极反应式为：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极先后发生两个反应：

Cu2＋＋2e－===Cu,2H＋＋2e－===H2↑。

从收集到O2为2.24L这个事实可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子，而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子，所以Cu2＋共得到0.4mol－0.2mol＝0.2mol电子，电解前Cu2＋的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。

电解前后分别有以下守恒关系：

c（K＋）＋2c（Cu2＋）＝c（NO

），c（K＋）＋c（H＋）＝c（NO

），不难算出：

电解前c（K＋）＝0.2mol·L－1，电解后c（H＋）＝0.4mol·L－1。

答案　A

【思维建模】

突破电化学定量计算的三种方法

实例：

通过4mole－为基准可构建电极产物之间的如下关系式：

（M为金属，x为其化合价）

考点三　金属的腐蚀与防护

（考点层次A→自学、识记、辨析）

1．金属腐蚀的本质

金属原子失去电子变为金属阳离子，金