版高考化学一轮复习第32讲电解原理金属的腐蚀和防护学案.docx

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版高考化学一轮复习第32讲电解原理金属的腐蚀和防护学案

第32讲　电解原理　金属的腐蚀和防护

一、电解原理

1．电解

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）

（4）电解原理示意图

二、电解原理的应用

1．氯碱工业

（1）电极反应

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑（反应类型：

氧化反应），

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑（反应类型：

还原反应）。

（2）总反应方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

总反应离子方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑。

2．电解精炼铜

3．电镀铜

4．电冶金

利用电解熔融盐（或氧化物）的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。

三、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成金属阳离子，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

（2）析氢腐蚀与吸氧腐蚀

以钢铁的腐蚀为例进行分析：

铁锈的形成：

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2，

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，2Fe（OH）3＋（x－3）H2O===Fe2O3·xH2O（铁锈）。

3．金属的防护

1．正误判断，正确的画“√”，错误的画“×”。

（1）某些不能自发进行的氧化还原反应，通过电解可以实现。

（　　）

（2）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。

（　　）

（3）电解盐酸、硫酸等溶液，H＋放电，溶液的pH逐渐增大。

（　　）

（4）电解时，电解液中阳离子移向阳极，发生还原反应。

（　　）

（5）用惰性电极电解饱和食盐水一段时间后，加入盐酸可使电解质溶液恢复到电解前的状态。

（　　）

（6）电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。

（　　）

（7）在镀件上电镀铜时，镀件应连接电源的正极。

（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×

（7）×

2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。

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

答案　D

解析　氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2，A错误；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，阴极Cu2＋放电析出Cu，但是粗铜中含有锌、铁、镍等杂质，使得溶液中Cu2＋浓度变小，B错误；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜，C错误；D正确。

考点1　电解池的工作原理

题型一　电解规律的考查

典例1　（2016·全国卷Ⅰ）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。

下列叙述正确的是（　　）

A．通电后中间隔室的SO

离子向阳极迁移，阳极区溶液pH增大

B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C．阴极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，阴极区溶液pH降低

D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成

解析　阳极区域水电离出的OH－放电，溶液中c（H＋）增大，pH减小，中间隔室的SO

透过cd膜移到阳极区可得产品H2SO4；阴极区水电离出的H＋放电：

2H＋＋2e－===H2↑，溶液中c（OH－）增大，溶液pH增大，中间隔室的Na＋透过ab膜移入阴极区，可得产品NaOH；由电子守恒，结合电极反应4OH－－4e－===2H2O＋O2↑可知，通过1mole－会有0.25molO2产生。

答案　B

名师精讲

以惰性电极电解电解质溶液的规律

1．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　以石墨为电极，电解KI溶液的方程式是2KI＋2H2O

I2＋H2↑＋2KOH。

在阴极由于产生氢气，溶液显碱性，遇酚酞溶液变为红色，A正确；阴极有H2生成，B正确；由于其中含有少量酚酞和淀粉，所以在阳极附近碘单质遇淀粉，溶液变为蓝色，C正确；因为产生了碱，溶液碱性增强，所以溶液的pH变大，D错误。

2.如图是一个石墨作电极，电解稀的Na2SO4溶液的装置，通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。

下列有关叙述正确的是（　　）

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味气体

C．A电极附近呈红色，B电极附近呈蓝色

D．电解一段时间后，将全部电解液转移到同一烧杯中，充分搅拌后溶解呈中性

答案　D

解析　A、B电极反应式分别为4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－、2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，相同温度和压强下，A电极生成气体体积大于B电极，A错误；阳极上生成O2，阴极上生成H2，O2和H2都是无色无味气体，B错误；由电极反应式知，A电极附近溶液呈碱性，B电极附近溶液呈酸性，则A电极溶液呈蓝色，B电极溶液呈红色，C错误；惰性电极电解稀的Na2SO4溶液，实际是电解水，将全部电解液转移到同一烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性，D正确。

题型二　电极反应式的书写

典例2　（2016·北京高考）用石墨电极完成下列电解实验。

下列对实验现象的解释或推测不合理的是（　　）

A．a、d处：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

B．b处：

2Cl－－2e－===Cl2↑

C．c处发生了反应：

Fe－2e－===Fe2＋

D．根据实验一的原理，实验二中m处能析出铜

解析　根据a、d处试纸变蓝，可判断a、d两点都为电解池的阴极，发生的电极反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A正确；b处变红，局部褪色，说明b为电解池的阳极，2Cl－－2e－===Cl2↑，Cl2溶于水生成盐酸和HClO：

Cl2＋H2OHCl＋HClO，HCl溶液显酸性，HClO具有漂白性，B错误；c处为阳极，铁失去电子生成Fe2＋，发生的电极反应为Fe－2e－===Fe2＋，C正确；实验一中ac形成电解池，db形成电解池，所以实验二中也形成电解池，铜珠的左端为电解池的阳极，铜失电子生成Cu2＋，m、n是铜珠的右端，为电解池的阴极，开始时产生气体，后来Cu2＋移到m处，m处Cu2＋得到电子生成单质铜，故D正确。

答案　B

名师精讲

1．电极反应式的书写步骤与方法

2．规避电解池中化学方程式书写的易失分点

（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）确保两极得失电子数目相等，且注明条件“电解”。

3．用如图所示装置除去含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，下列说法正确的是（　　）

A．阴极的电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O

B．阳极的电极反应式为2CN－＋12OH－－10e－===N2↑＋2CO

＋6H2O

C．电解时使用锂钒氧化物二次电池（V2O5＋xLi

LixV2O5）作电源，电池充电时a电极的电极反应式为LixV2O5－xe－===V2O5＋xLi＋

D．除去CN－的反应：

2CN－＋5ClO－＋2H＋===N2↑＋2CO2↑＋5Cl－＋H2O

答案　C

解析　电解质溶液呈碱性，则阴极上水得电子生成H2和OH－，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，A错误；阳极上Cl－在碱性条件下失电子生成ClO－和H2O，电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O，B错误；电解时a极为电源的正极，充电时a极为阳极，电极反应式为LixV2O5－xe－===V2O5＋xLi＋，C正确；阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体，两种气体为CO2和N2，该反应在碱性条件下不可能存在大量H＋，D错误。

4．按要求书写有关的电极反应式及总反应式。

（1）以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面可形成氧化膜。

阳极反应式：

___________________________________________________________________；

阴极反应式：

________________________________________________________________________；

总化学方程式：

________________________________________________________________________。

（2）以稀硫酸为电解质溶液，利用太阳能电池将CO2转化为乙烯的工作原理如下图所示，则N极上的电极反应式为__________________________；该电解池中所发生的总反应的化学方程式为________________________________________________________________________。

答案　

（1）2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋

6H＋＋6e－===3H2↑

2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑

（2）2H2O－4e－===4H＋＋O2↑　2CO2＋2H2O

C2H4＋3O2

解析　

（2）M极CO2→C2H4，碳元素化合价降低，发生还原反应；N极，H2O放电生成O2和H＋。

总反应为CO2和H2O反应生成C2H4和O2。

考点2　电解原理的应用

典例3　（2015·上海高考）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。

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________（选填“a”“b”“c”或“d”）位置流出。

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－在阳极失去电子产生Cl2。

该电解反应的离子方程式是2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

（2）图中的离子交换膜是阳离子交换膜，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。

精制饱和食盐水从阳极补充，即从图中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；从c位置流出的是稀的NaCl溶液。

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，以便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混合发生爆炸

（3）a　d

名师精讲

电解原理应用的注意事项

（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混合发生爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱的质量。

（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，其他活泼性弱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。

（4）电镀时，阳极（镀层金属）失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等，因此电镀液中电解质的浓度保持不变。

5.工业上，常用NCl3制备水的消毒剂ClO2。

利用如图装置电解氯化铵和盐酸的混合溶液制得NCl3（已知NCl3的水溶液具有漂白性）。

下列推断正确的是（　　）

A．石墨极为正极

B．铁极附近电解质溶液的pH减小

C．每生成1molNCl3时必转移3mol电子

D．电解反应为NH4Cl＋2HCl

NCl3＋3H2↑

答案　D

解析　石墨极为阳极，A错误；铁为阴极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，故溶液的酸性逐渐减弱，pH增大，B错误；每生成1molNCl3，必转移6mol电子，C错误。

6．在微电子工业中NF3常用作氮化硅的蚀刻剂，工业上通过电解含NH4F等的无水熔融物生产NF3，其电解原理如图。

下列说法不正确的是（　　）

A．a电极为电解池的阳极

B．阳极的电极反应式：

NH

＋3F－－6e－===NF3＋4H＋

C．H＋由b极移向a极，并参与电极反应

D．电解过程中可能还会生成少量氧化性极强的气体单质，该气体的分子式是F2

答案　C

解析　由图示可知H＋在阴极（b）得到电子生成H2，则a电极是电解池的阳极，A正确；阳极是NH

失去电子生成NF3和H＋，B正确；阳离子（H＋）由阳极（a）流向阴极（b），并参与电极反应，C错误；电解过程中，F－可能在阳极失去电子生成氧化性极强的F2，D正确。

考点3　金属的电化学腐蚀与防护

典例4　（2016·浙江高考）在一块表面无锈的铁片上滴食盐水，放置一段时间后看到铁片上有铁锈出现。

铁片腐蚀过程中发生的总化学方程式为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe（OH）2，Fe（OH）2进一步被氧气氧化为Fe（OH）3，再在一定条件下脱水生成铁锈，其原理如下图。

下列说法正确的是（　　）

A．铁片发生还原反应而被腐蚀

B．铁片腐蚀最严重的区域应该是生锈最多的区域

C．铁片腐蚀中负极发生的电极反应：

2H2O＋O2＋4e－===4OH－

D．铁片里的铁和碳与食盐水形成无数微小原电池，发生了电化学腐蚀

解析　铁失去电子变为Fe2＋，发生氧化反应而被腐蚀，A错误；由于得失电子在不同的区域，所以铁片腐蚀最严重的区域与生锈最多的区域是不同的区域，B错误；铁片腐蚀中正极发生的电极反应为2H2O＋O2＋4e－===4OH－，C错误；D正确。

答案　D

典例5　（2017·全国卷Ⅰ）支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。

下列有关表述不正确的是（　　）

A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零

B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩

C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流

D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整

解析　外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流，A正确；被保护的钢管桩作阴极，高硅铸铁作阳极，电解池中外电路电子由阳极流向阴极，即从高硅铸铁流向钢管桩，B正确；高硅铸铁为惰性辅助阳极，其主要作用是传递电流，而不是作为损耗阳极，C错误；保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流，应根据环境条件变化进行调整，D正确。

答案　C

名师精讲

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：

电解池原理引起的腐蚀＞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，在同浓度的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，腐蚀速率越快。

（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．金属腐蚀的防护

（1）电化学保护法

①牺牲锌（负极）保护铁（正极），习惯上叫做牺牲阳极的阴极保护法。

如船壳上钉上锌块形成原电池。

②外加电流的阴极保护法：

钢铁外接电源负极形成电解池，使之成为阴极而被保护。

如钢闸门接低压直流电负极，石墨接电源正极作阳极，浸入水中。

（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。

7．铜板上铁铆钉长期暴露在潮湿的空气中，形成一层酸性水膜后铁铆钉会被腐蚀，示意图如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

A．因铁的金属性比铜强，所以铁铆钉被氧化而腐蚀

B．若水膜中溶解了SO2，则铁铆钉腐蚀的速率变小

C．铜极上的反应是2H＋＋2e－===H2↑、O2＋4e－＋4H＋===2H2O

D．在金属表面涂一层油脂，能防止铁铆钉被腐蚀

答案　B

解析　铁、铜和水膜形成原电池，因为铁的金属性比铜强，所以铁为负极，铁铆钉被氧化而腐蚀，A正确；若水膜中溶解了SO2，则发生析氢腐蚀，铁铆钉腐蚀的速率加快，B错误；铜极发生还原反应，根据题图知铜电极吸收了氧气且生成氢气，所以发生两个电极反应：

2H＋＋2e－===H2↑、O2＋4e－＋4H＋===2H2O，C正确；在金属表面涂一层油脂，可隔绝空气和水，能防止铁铆钉被腐蚀，D正确。

8．下列金属防腐的措施中，使用外加电流的阴极保护法的是（　　）

A．水中的钢闸门连接电源的负极

B．金属护栏表面涂漆

C．汽车底盘喷涂高分子膜

D．地下钢管连接镁块

答案　A

解析　水中的钢闸门连接电源的负极，钢闸门为阴极，从而得以保护，A正确；金属护栏表面涂漆的原理是隔绝金属护栏与空气接触，从而减缓金属护栏的腐蚀，B错误；汽车底盘喷涂高分子膜的原理也是隔绝与空气的接触，C错误；地下钢管连接镁块形成了原电池，属于牺牲阳极的阴极保护法，D错误。

微专题

多池组合装置及电化学计算

一、电池类型的判断方法

1．有外接电源电池类型的判断方法

有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该电池为电镀池。

如：

则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。

2．无外接电源、电池类型的判断方法

（1）直接判断

非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。

如下图：

A为原电池，B为电解池。

（2）根据电池中的电极材料和电解质溶液判断

原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属和一种能导电的非金属做电极；而电解池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。

原电池中的电极材料和电解质溶液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。

如图：

B为原电池，A为电解池。

（3）根据电极反应现象判断

在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。

如图：

若C极溶解，D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电池，D是正极，C是负极；甲是电解池，A是阳极，B是阴极。

B、D极发生还原反应，A、C极发生氧化反应。

二、电化学计算

原电池和电解池的计算，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，其依据是电路中转移的电子数相等。

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。

（建议用时：

40分钟）

一、选择题（每题8分，共72分）

1．下列关于电化学知识的说法正确的是（　　）

A．电解饱和食盐水在阳极得到氯气，阴极得到金属钠

B．电解精炼铜时，阳极质量的减少不等于阴极质量的增加

C．电解AlCl3、FeCl3、CuCl2的混合溶液，在阴极上依次析出Al、Fe、Cu

D．电解CuSO4溶液一段时间后（Cu2＋未反应完），加入适量Cu（OH）2可以使溶液恢复至原状态

答案　B

2．（2017·广东惠州调研）某同学设计下图装置探究氯碱工业原理，下列说法正确的是（　　）

A．石墨电极与直流电源负极相连

B．铜电极的电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑

C．氢氧化钠在石墨电极附近产生，Na＋向石墨电极迁移

D．用湿润的KI淀粉试纸在铜电极附近检验气体，试纸变蓝色

答案　B

解析　该装置为电解饱和食盐水，铜作阴极，与电源负极相连，A错误；电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，B正确；氢氧化钠在铜电极附近产生，阳离子向铜电极移动，C错误；石墨作阳极，与电源正极相连，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，用湿润的KI淀粉试纸在石墨电极附近检验气体，试纸变蓝色，D错误。

3．下列与金属腐蚀有关的说法正确的是（　　）

A．图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重

B．图b中，开关由M改置于N时，Cu－Zn合金的腐蚀速率减小

C．图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大

D．图d中，Zn－MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的

答案　B

解析　因液面处氧气的浓度大且与海水接触，故在液面处铁棒腐蚀最严重，A错误；接通开关后形成原电池，Zn的腐蚀速率增大，H＋在Pt电极上放电产生H2，C错误；干电池自放电腐蚀是NH4Cl产生的H＋的氧化作用引起的，D错误。

4．（2017·河南天一大联考）CO2是重要的温室气体，对地球温室效应的“贡献”最大，如何利用CO2是摆在科技工作者面前的重要课题。

如图所示电解装置可将CO2转化为乙稀，该装置的电解质溶液为强酸性水溶液，电极材料为惰性电极。

下列有关说法正确的是（　　）

A．a为电池的正极

B．电解过程中H＋移向阳极

C．反应前后溶