第3讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护.docx
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第3讲电解池金属的电化学腐蚀与防护
第3讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护
[考纲要求] 1.理解电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
2.理解金属发生电化学腐蚀的原因、了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。
考点一 电解的原理
1.电解定义
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。
2.能量转化形式
电能转化为化学能。
3.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)电子和离子的移动方向
特别提醒 电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。
4.分析电解过程的思维程序
(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(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(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。
注意 ①阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
②最常用、最重要的放电顺序是:
阳极:
Cl->OH-;阴极:
Ag+>Cu2+>H+。
③电解水溶液时,K+~Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
(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。
深度思考
1.用分析电解过程的思维程序分析电解下列物质的过程,并总结电解规律(用惰性电极电解)
电解质
(水溶液)
电极方程式
被电解的物质
总化学方程式或离子方程式
电解质浓度
溶液pH
电解质溶液复原
含氧酸(如H2SO4)
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
减小
强碱(如NaOH)
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
增大
活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
不变
无氧酸(如HCl),除HF外
酸
2HCl
Cl2↑+H2↑
减小
增大
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
盐
CuCl2
Cu+Cl2↑
减小
活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
水和盐
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
生成新电解质
增大
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
水和盐
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
生成新电解质
减小
2.电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么?
在放H2生碱型的电解中,若滴入酚酞试液,哪一极附近溶液变红?
答案 放H2生碱型实质是水电离出H+在阴极上放电,破坏了阴极附近水的电离平衡,使OH-浓度增大,若滴入酚酞试液,阴极附近溶液变红;放O2生酸型的实质是水电离出OH-在阳极上放电,破坏了阳极附近水的电离平衡,使H+浓度增大。
3.
(1)上表中要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?
(2)上表中要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
4.若用惰性电极电解饱和的Na2SO4溶液,此时溶液的浓度和pH怎样发生变化?
为什么?
题组一 电解原理和电解规律的考查
1.右图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。
通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。
下列实验现象描述正确的是( )
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
2.用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1molCu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。
则下列说法正确的是( )
A.电解过程中阴极没有气体生成
B.电解过程中转移的电子的物质的量为0.4mol
C.原CuSO4溶液的浓度为0.1mol·L-1
D.电解过程中阳极收集到的气体体积为1.12L(标况下)
题组二 突破电极反应式、电解总方程式的书写
3.按要求书写电极反应式和总方程式
(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)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式_________________________________________________;
阴极反应式____________________________________________________;
总反应离子方程式_____________________________________________。
(3)用铁作电极电解NaCl溶液
阳极反应式________________________________________________;
阴极反应式________________________________________________;
总化学方程式________________________________________________。
(4)用铜作电极电解盐酸溶液
阳极反应式________________________________________________;
阴极反应式__________________________________________________;
总反应离子方程式____________________________________________。
(5)用Al作电极电解NaOH溶液
阴极反应式________________________________________________;
阳极反应式____________________________________________________;
总反应离子方程式_____________________________________________。
(6)用惰性电极电解熔融MgCl2
阴极反应式_____________________________________________;
阳极反应式________________________________________________;
总反应离子方程式______________________________________________________。
4.
(1)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面形成氧化膜,阳极电极反应式为_____。
(2)用Al单质作阳极,石墨作阴极,NaHCO3溶液作电解液进行电解,生成难溶物R,R受热分解生成化合物Q。
写出阳极生成R的电极反应式:
___________________。
答案
(1)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
(2)Al+3HCO
-3e-===Al(OH)3↓+3CO2↑
1.体会书写步骤
以石墨作电极电解CuSO4溶液的电极反应式及总的电解方程式的书
写为例。
第一步:
明确溶液中存在哪些离子。
阳离子:
Cu2+、H+;阴离子:
OH-、SO
。
第二步:
判断阴阳两极附近离子种类及离子放电顺序。
阴极:
Cu2+>
H+;阳极:
OH->SO
。
第三步:
写电极反应式和总的电解方程式。
阴极:
2Cu2++4e-===
2Cu;阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O。
根据得失电子数相等,两极反应式相加得总方程式:
2CuSO4+
2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4。
2.规避“三个”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。
题组三 与酸、碱、盐电解有关的实验设计
5.某课外活动小组设计了如图所示装置,调节滑动变阻器,在电流强度适中的情况下用其进行缓慢电解NaCl溶液及相关实验(此时,打开止水夹a,关闭止水夹b)。
由于粗心,实验并未达到预期目的,但也看到了令人高兴的现象。
请帮助他们分析并回答下列问题(图中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过):
(1)写出B装置中的电极反应式:
Pt极________________________________________________________________________;
Fe极________________________________________________________________________。
(2)写出观察到的A装置中的现象:
①________________________________________________________________________;
②________________________________________________________________________;
③________________________________________________________________________。
(3)当观察到A装置中的现象后,他们关闭止水夹a,打开止水夹b,再观察C装置。
若无现象,说明理由;若有现象,请写出有关反应方程式___________________________。
(4)若想达到电解NaCl溶液的目的,应如何改进装置,请提出你的意见________________。
考点二 电解原理的应用
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、氯气和氢气。
2.电镀
右图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:
(1)镀件作阴极,镀层金属银作阳极。
(2)电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Ag-e-===Ag+;
阴极:
Ag++e-===Ag。
(4)特点:
阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。
3.电解精炼铜
(1)电极材料:
阳极为粗铜;阴极为纯铜。
(2)电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、Cu-2e-===Cu2+;
阴极:
Cu2++2e-===Cu。
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。
(1)冶炼钠2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极:
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼铝2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;阴极:
4Al3++12e-===4Al。
深度思考
1.
(1)电解氯化钠溶液时,如何用简便的方法检验产物?
2.电解精炼铜时,阳极泥是怎样形成的?
题组一 电解原理的“常规”应用
1.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
2.使用氯化钠作原料可以得到多种产品。
(1)实验室用惰性电极电解100mL0.1mol·L-1NaCl溶液,若阴阳两极均得到112mL气体(标准状况),则所得溶液的物质的量浓度是____________(忽略反应前后溶液体积的变化)。
(2)某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液,通电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌能力的消毒液,设计了如图的装置。
对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是________(填字母序号)。
A.a为正极,b为负极;NaClO和NaClB.a为负极,b为正极;NaClO和NaCl
C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaClD.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl
(3)实验室中很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe(OH)2沉淀。
某同学利用上图装置,只更换一个电极,通过电解法制取较纯净的Fe(OH)2沉淀,且较长时间不变色。
该同学换上的电解材料是__________(用元素符号表示),总的反应式是_____________。
题组二 电解原理的“不寻常”应用
(一)处理废水
3.某工厂采用电解法处理含铬废水,耐酸电解槽用铁板作阴、阳极,槽中盛放含铬废水,原理示意图如下,下列说法不正确的是( )
A.A为电源正极
B.阳极区溶液中发生的氧化还原反应为Cr2O
+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
C.阴极区附近溶液pH降低
D.若不考虑气体的溶解,当收集到H213.44L(标准状况)时,有0.1molCr2O
被还原
(二)制备物质
4.电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如下:
电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴阳两极均为惰性电极。
(1)A极为________,电__________________________________________。
(2)B极为________,电极反应式为_____________________________________。
答案
(1)阳极 CO(NH2)2+8OH--6e-===N2↑+CO
+6H2O
(2)阴极 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
解析 H2产生是因为H2O电离的H+在阴极上得电子,即6H2O+6e-===3H2↑+6OH-,所以B极为阴极,A极为阳极,电极反应式为CO(NH2)2-6e-+8OH-===N2↑+CO
+6H2O,阳极反应式容易错写成4OH--4e-===2H2O+O2↑。
(三)处理废气
5.用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如图所示。
(电极材料为石墨)
(1)图中a极要连接电源的(填“正”或“负”)________极,C口流出的物质是________。
(2)SO
放电的电极反应式为____________。
(3)电解过程中阴极区碱性明显增强,用平衡移动原理解释原因________。
考点三 应对电化学定量计算的三种方法
1.计算类型
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的计算、产物的量与电量关系的计算等。
2.方法技巧
(1)根据电子守恒计算
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,最后根据总反应式列出比例式计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律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:
4e-~2Cl2(Br2、I2)~O2~2H2~2Cu~4Ag~
M
阳极产物 阴极产物
(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和价值,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。
题组一 根据电子守恒,突破电化学的基本计算
1.两个惰性电极插入500mLAgNO3溶液中,通电电解。
当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解过程中阴极没有H2放出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略不计),电极上析出银的质量最大为( )
A.27mgB.54mgC.106mgD.216mg
题组二 根据电子守恒,突破电解池的“串联”计算
2.在如图所示的装置中,若通直流电5min时,铜电极质量增加2.16g。
试回答下列问题。
(1)电源中X电极为直流电源的________极。
(2)pH变化:
A:
________,B:
________,C:
________(填“增大”、“减小”或“不变”)。
(3)通电5min时,B中共收集224mL(标准状况下)气体,溶液体积为200mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为________(设电解前后溶液体积无变化)。
(4)若A中KCl足量且溶液的体积也是200mL,电解后,溶液的pH为__________(设电解前后溶液体积无变化)。
无明显“外接电源”的电解池的“串联”问题,主要是根据“原电
池”的形成条件判断“电源”的正、负极,从而判断电解池的阴、阳极。
题组三 根据电子守恒,突破电解的分阶段计算
3.500mLKNO3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
4.将等物质的量浓度的CuSO4和NaCl等体积混合后,用石墨电极进行电解,电解过程中,溶液pH随时间t变化的曲线如图所示,则下列说法错误的是( )
A.阳极先析出Cl2,后析出O2,阴极先产生Cu,后析出H2B.AB段阳极只产生Cl2,阴极只产生Cu
C.BC段表示在阴极上是H+放电产生了H2D.CD段相当于电解水
考点四 金属的腐蚀和防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
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
金属跟非金属单质直接接触
不纯金属或合金跟电解质溶液接触
现象
无电流产生
有微弱电流产生
本质
金属被氧化
较活泼金属被氧化
联系
两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强(pH≤4.3)
水膜酸性很弱或呈中性
电极反应
负极
Fe-2e-===Fe2+
正极
2H++2e-===H2↑
O2+2H2O+4e-===4OH-
总反应式
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
3.金属的防护
(1)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法—原电池原理
a.负极:
比被保护金属活泼的金属;b.正极:
被保护的金属设备。
②外加电流的阴极保护法—电解原理
a.阴极:
被保护的金属设备;b.阳极:
惰性金属。
(2)改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。
(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
深度思考
1.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”
(1)所有金属纯度越大,越不易被腐蚀( )
(2)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样( )
(3)干燥环境下金属不被腐蚀( )
(4)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物( )
(5)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+( )
(6)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用( )
(7)外加电流的阴极保护法,构成了电解池;牺牲阳极的阴极保护法构成了原电池。
二者均能有效地保护金属不容易被腐蚀( )
2.写出钢铁、铜制品在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀生成铁锈、铜绿的原理。
答案
(1)铁锈的形成负极:
2Fe-4e-===2Fe2+正极:
O2+4e-+2H2O===4OH-
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O
(2)铜锈的形成
负极:
2Cu-4e-===2Cu2+正极:
O2+2H2O+4e-===4OH-
2Cu+2H2O+O2===2Cu(OH)22Cu(OH)2+CO2===Cu2(OH)2CO3(铜绿)+H2O
题组一 腐蚀快慢与防护方法的比较
1.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥B.⑤④③①②⑥C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥
2.下列与金属腐蚀有关的说法,正确的是( )
A.图1中,铁钉易被腐蚀
B.图2中,滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,没有蓝色沉淀出现
C.图3中,燃气灶的中心部位容易生锈,主要是由于高温下铁发生化学腐蚀
D.图4中,用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
(1)判断金属腐蚀快慢的规律
①对同一电解质溶液来说,腐蚀速率的快慢:
电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。
②对同一金属来说,在不同溶液中腐蚀速率的快慢:
强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。
③活动性不同的两种金属,活动性差别越大,腐蚀越快。
④对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀越快。
(2)两种保护方法的比较
外加电流的阴极保护法保护效果大于牺牲阳极的阴极保护法。
题组二 正确判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀
3.利用下图装置进行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封好,放置一段时间。
下列说法不正确的是( )
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