三维设计人教通用版高考化学一轮总复习讲义 第三节 电解池金属的腐蚀与防护.docx

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三维设计人教通用版高考化学一轮总复习讲义第三节电解池金属的腐蚀与防护

第三节

电解池　金属的腐蚀与防护

明考纲要求

理主干脉络

1.了解电解池的工作原理，能写出电极反应式和电池反应方程式。

2.理解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。

　　一、电解原理

1.电解

使电流通过电解质溶液（或熔融的电解质）而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。

在此过程中，电能转化为化学能。

2.电解池

（1）概念：

电解池是把电能转化为化学能的装置。

（2）电解池的构成条件：

①有外接电源；

②有与电解质溶液相连的两个电极；

③形成闭合回路。

（3）电解池中电子和离子的移动：

①电子：

从电源负极流出后，流向电解池阴极；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。

（4）电解池工作原理（以电解CuCl2溶液为例）：

总反应方程式：

CuCl2通电,Cu＋Cl2↑

二、电解原理的应用

1.电解饱和食盐水

2.电解精炼铜

3.电镀铜

4.电解冶炼钠

三、金属的腐蚀与防护

1.化学腐蚀和电化学腐蚀

化学腐蚀

电化学腐蚀

条件

金属与接触到的物质直接反应

不纯金属接触到电解质溶液发生原电池反应

本质

M－ne－===Mn＋

现象

金属被腐蚀

较活泼金属被腐蚀

区别

无电流产生

有微弱电流产生

联系

普遍性：

M－ne－===Mn＋电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，危害也更严重

2.钢铁的析氢腐蚀和吸氧腐蚀

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

水膜环境

水膜呈酸性

水膜呈弱酸性或中性

负极反应

Fe－2e－===Fe2＋

2Fe－4e－===2Fe2＋

正极反应

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

总反应

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

联系

吸氧腐蚀更普遍

3.金属的防护

（1）原电池原理→牺牲阳极的阴极保护法。

（2）电解池原理→外加电源的阴极保护法。

（3）改变金属内部结构→如不锈钢。

（4）加保护层→如涂防锈油漆、电镀等。

1.判断正误（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）电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中的c（Cu2＋）均保持不变。

（　　）

（3）电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可电解MgO和AlCl3。

（　　）

（4）若把Cu＋H2SO4===CuSO4＋H2↑设计成电解池，应用Cu作阳极。

（　　）

（5）当镀锡铁制品的镀层破损时，镀层仍能对铁制品起保护作用。

（　　）

（6）可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护不受腐蚀。

（　　）

提示：

（1）×。

非氧化还原反应不能设计成电解池反应。

（2）×。

电镀铜时基本不变，但电解精炼铜时由于粗铜中含有活泼金属，会使c（Cu2＋）减小。

（3）×。

不能电解MgO（熔点很高）和AlCl3（共价化合物，熔融态不导电）。

（4）√。

（5）×。

镀层破损后，Fe与Sn形成原电池的两极，Fe比Sn活泼，Fe作负极被腐蚀。

（6）×。

应连接电源的负极以保护输油钢管。

2.比较原电池与电解池有哪些不同之处？

填写下表：

电解池

原电池

电极

名称

电极反应

（氧化、还原）

能量转变

答案：

电解池

原电池

电极

名称

阴极

（与电源

负极相连）

阳极

（与电源

正极相连）

负极

（电子流

出的电极）

正极

（电子流

入的电极）

电极反应

（氧化、还原）

还原反应

氧化反应

氧化反应

还原反应

能量转变

电能转化为化学能

化学能转化为电能

3.电解原理应用广泛，请思考并回答以下问题。

（1）电解NaCl饱和溶液，如何检验两极产物？

（2）氯碱工业用阳离子交换膜（只允许阳离子通过）把两个极室分开有何优点？

（3）电解精炼铜时阳极泥是如何形成的？

答案：

（1）在阳极用湿润的淀粉KI试纸即可检验Cl2的生成，在阴极收集一小试管气体做爆鸣试验即可证明H2的生成，向阴极溶液中滴入酚酞试液显红色证明有NaOH生成。

（2）因气体和阴离子不能通过，因此防止了H2与Cl2的反应，同时也防止了Cl2与NaOH的反应。

（3）粗铜中含有Au、Ag等不活泼金属，电解精炼时因其还原性弱于铜，而不能放电反应，就直接沉入阳极室底部，被称为阳极泥。

4.电解池工作时电子和离子是如何移动的？

提示：

①电子：

从电源负极流出后，流向电解池阴极；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。

5.电镀铜时，Cu2＋浓度如何改变？

电解精炼铜时，CuSO4溶液的浓度是否改变？

提示：

电镀铜时，电解质溶液中的Cu2＋浓度不变，电解精炼铜时，粗铜中的Zn、Fe、Ni等比Cu活泼金属在阳极失去电子，阴极上只有Cu2＋得电子，所以CuSO4溶液的浓度会降低。

6.为什么要在轮船水线以下的船壳上嵌入一定数量的锌块？

提示：

FeZn海水构成原电池，Zn作负极，Fe作正极，锌被腐蚀，而船体受到保护。

7.（2013·北京高考）用石墨电极电解CuCl2溶液（见右图）。

下列分析正确的是（　　）

A.a端是直流电源的负极

B.通电使CuCl2发生电离

C.阳极上发生的反应：

Cu2＋＋2e－===Cu

D.通电一段时间后，在阴极附近观察到黄绿色气体

解析：

选A　通过图中离子的运动状态可判断连接a的为阴极，连接b的为阳极，故a端为直流电源的负极，b端为直流电源的正极，A项正确；CuCl2在水溶液中就能发生电离，而不是通电的结果，B项错误；阳极发生氧化反应，即2Cl－－2e－===Cl2↑，C项错误；阴极发生还原反应，析出Cu，阳极发生氧化反应，在阳极附近可观察到黄绿色气体，D项错误。

电极反应式、电解反应式的书写

1.按要求书写有关电极反应式及电解反应总化学（或离子）方程式。

（1）用惰性电极电解AgNO3溶液。

________________________________________________________________________

（2）用惰性电极电解MgCl2溶液。

________________________________________________________________________

（3）用铁作电极电解NaCl溶液。

________________________________________________________________________

（4）用铜作电极电解盐酸。

________________________________________________________________________

（5）（2013·福建高考）以惰性电极电解FeCl2和HCl的混合物可制备FeCl3和H2。

________________________________________________________________________

（6）（2010·山东高考）以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面可形成氧化膜。

________________________________________________________________________

答案：

（1）4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

4Ag＋＋4e－===4Ag

4Ag＋＋2H2O

4Ag＋4H＋＋O2↑

（2）2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑

Mg2＋＋2Cl－＋2H2O

Mg（OH）2↓＋H2↑＋Cl2↑

（3）Fe－2e－===Fe2＋　2H＋＋2e－===H2↑

Fe＋2H2O

Fe（OH）2↓＋H2↑

（4）Cu－2e－===Cu2＋　2H＋＋2e－===H2↑

Cu＋2H＋

Cu2＋＋H2↑

（5）Fe2＋－e－===Fe3＋　2H＋＋2e－===H2↑

2Fe2＋＋2H＋

2Fe3＋＋H2↑

（6）2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋　6H＋＋6e－===3H2↑

2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑

2.（2013·浙江高考）电解装置如图所示，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。

在一定的电压下通电，发现左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色逐渐变浅。

已知：

3I2＋6OH－===IO

＋5I－＋3H2O

下列说法不正确的是（　　）

A.右侧发生的电极反应式：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

B.电解结束后，右侧溶液中含有IO

C.电解槽内发生反应的总化学方程式：

KI＋3H2O

KIO3＋3H2↑

D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学反应不变

解析：

选D　装置图中左侧电极为阳极，I－失去电子生成I2，右侧电极为阴极，H2O得到电子生成H2，A、C项正确；电解结束后，左侧溶液中的IO

经阴离子交换膜进入右侧，B项正确；D项，如果将阴离子交换膜换为阳离子交换膜，那么阴极产生的OH－不会与I2发生反应，故电解槽内发生的总化学反应要变化，D项错误。

3.（2012·浙江高考）以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如下：

下列说法不正确的是（　　）

A.在阴极室，发生的电极反应为：

2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑

B.在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为阳极区H＋浓度增大，使平衡2CrO

＋2H＋Cr2O

＋H2O向右移动

C.该制备过程总反应的化学方程式为：

4K2CrO4＋4H2O

2K2Cr2O7＋4KOH＋2H2↑＋O2↑

D.测定阳极液中K和Cr的含量，若K与Cr的物质的量之比（nk/ncr）为d，则此时铬酸钾的转化率为1－

解析：

选D　分析该制备过程，K2CrO4在转变为K2Cr2O7的过程中没有发生化合价的变化，制备过程是通过电解的方法改变溶液的pH来实现的。

阴极的反应式是2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，阳极的反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，电解过程中阳极区的c（H＋）增大，促进平衡2CrO

＋2H＋Cr2O

＋H2O向右移动，总反应式为4K2CrO4＋4H2O

2K2Cr2O7＋4KOH＋2H2↑＋O2↑。

若设加入反应容器内的K2CrO4为1mol，反应中有xmolK2CrO4转化为K2Cr2O7，则阳极区剩余的K2CrO4为（1－x）mol，其对应的nK＝2（1－x）mol，nCr＝（1－x）mol，生成的K2Cr2O7为x/2mol，其对应的nK＝xmol，nCr＝xmol，由nK/nCr＝d可得，x＝2－d，转化率为（2－d）/1。

1.电极反应式的书写步骤

（1）明确阴、阳两极：

（2）分析电极产物：

首先明确阳极材料和溶液中存在的所有离子，然后根据如下规律分析判断。

（3）书写电极反应式：

①注意电解质溶液的环境。

若电解质溶液中的离子与电极产物发生反应，一般要把该离子写进电极反应式，如碱性环境下生成的CO2会与OH－反应生成CO

。

②注意质量守恒，电子守恒和电荷守恒，一般先照顾电子守恒，然后利用电荷守恒配平，最后再用质量守恒验证。

2.电解总方程式的书写

（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、NaOH溶液、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。

［特别提醒］　规避电解池中方程式书写的3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）要确保两极得失电子数目相等，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（电镀锌时除外）。

电解规律与电解计算

4.现用惰性电极分别电解H2SO4溶液、NaCl溶液、CuSO4溶液。

请解答下列有关问题。

（1）写出电解三种溶液的总反应化学方程式。

（2）电解一段时间后，三种溶液的pH有何变化？

应通入（或加入）何物质可以使电解质溶液复原？

（3）若NaCl溶液的体积为1L，电解时有0.01mole－转移时，溶液的pH是多少？

（忽略溶液体积的变化）。

（4）CuSO4溶液电解完成后，需加入9.8gCu（OH）2才能使电解质溶液复原，则该过程中电子转移的物质的量是多少？

答案：

（1）2H2O

2H2↑＋O2↑　2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑　2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4　

（2）减小、增大、减小；水、HCl气体、CuO

（3）12　（4）0.4mol

5.A、B、C为三种强电解质，它们在水中电离出的离子如下表所示：

阳离子

Na＋、K＋、Cu2＋

阴离子

SO

、OH－

图1所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯中分别盛放足量的A溶液、足量的B溶液、足量的C溶液，电极均为石墨电极。

接通电源，经过一段时间后，测得乙中c电极质量增加了16g。

常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系如图2所示。

请回答下列问题：

（1）M为电源的　　　　（填“正”或“负”）极，电极b上发生的电极反应为　　　　　　　　。

（2）乙烧杯中的反应为______________________________________________________。

（3）计算电极e上生成的气体在标准状况下的体积______________________________。

（4）丙烧杯要恢复到原来的状况，操作是_______________________________________。

（5）B溶液中金属离子全部析出后，电解能不能继续进行？

解析：

（1）乙中c电极质量增加，则c电极应发生反应：

Cu2＋＋2e－===Cu，即c电极为阴极，由此可推出b电极为阳极，a电极为阴极，M为电源的负极，N为电源的正极。

测得乙中c电极质量增加了16g，有金属析出的是Cu2＋，其他的都不可能，而Cu2＋只能和SO

结合，可以确定B为CuSO4；由常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系图，可以确定A为KOH或NaOH，C为Na2SO4或K2SO4。

甲中为KOH或NaOH溶液，相当于电解H2O，阳极b处为OH－放电，即4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。

（2）乙烧杯中发生反应：

2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4，当乙中有16gCu析出时，转移的电子为0.5mol，而整个电路是串联的，故每个烧杯中电极上转移的电子都是0.5mol。

（3）丙中为Na2SO4或K2SO4溶液，相当于电解水，由反应方程式2H2O===2H2↑＋O2↑可知，生成2molH2，转移4mol电子，所以当整个反应中转移0.5mol电子时，生成的H2为0.25mol，标准状况下的体积为0.25mol×22.4L/mol＝5.6L。

（4）甲和丙烧杯中均消耗水0.25mol，若要恢复到原来的状态，应向烧杯中加入4.5g水。

（5）铜全部析出后，电解质变为H2SO4，电解反应仍能继续进行。

答案：

（1）负　4OH－－4e－===2H2O＋O2↑　

（2）2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4　（3）5.6L　（4）向丙烧杯中加4.5g水　（5）能　CuSO4溶液已转变为稀硫酸，反应变为电解水的反应

6.（2013·天津高考）为增强铝的耐腐蚀性，现以铅蓄电池为外电源，以Al作阳极、Pb作阴极，电解稀硫酸，使铝表面的氧化膜增厚。

反应原理如下：

电池：

Pb（s）＋PbO2（s）＋2H2SO4（aq）===2PbSO4（s）＋2H2O（l）

电解池：

2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑

电解过程中，以下判断正确的是（　　）

电池

电解池

A

H＋移向Pb电极

H＋移向Pb电极

B

每消耗3molPb

生成2molAl2O3

C

正极：

PbO2＋4H＋＋

2e－===Pb2＋＋2H2O

阳极：

2Al＋3H2O－

6e－===Al2O3＋6H＋

D

解析：

选D　本题考查电化学知识，意在考查考生提取信息的能力、判断能力和知识的迁移能力。

原电池中阳离子向正极移动，所以H＋移向PbO2极，电解池中，阳离子移向阴极，即H＋移向Pb极，A项错误；原电池中消耗3molPb，转移6mole－，在电解池中转移6mole－生成1molAl2O3，B项错误；原电池中正极反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋SO

===PbSO4＋2H2O，C项错误；原电池中Pb失电子转化为PbSO4，所以Pb电极质量增加，而电解池中Pb作阴极，不参与反应，所以质量不变，D项正确。

1.以惰性电极电解电解质溶液的四种类型

类型

电极反应特点

电解质溶液

电解对象

电解质浓度

pH

电解质溶液复原

电解水型

阴极：

4H＋＋4e－===2H2↑

阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

强碱（NaOH）

水

增大

增大

加水

含氧酸（H2SO4）

水

增大

减小

加水

活泼金属的含氧酸盐（Na2SO4）

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（HCl）

电解质

减小

增大

通入氯化氢气体

不活泼金属的无氧酸盐

（CuCl2）

电解质

减小

加氯化铜

放H2

生碱型

阴极：

H2O放H2生成碱

阳极：

电解质阴离子放电

活泼金属的无氧酸盐（NaCl）

电解质和水

生成新电解质

增大

通入氯化

氢气体

放O2

生酸型

阴极：

电解质阳离子放电

阳极：

H2O放O2生成酸

不活泼金属的含氧酸盐

（CuSO4）

电解质和水

生成新

电解质

减小

加氧化铜

2.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。

解题方法：

金属的腐蚀与防护

7.（2013·北京高考）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

解析：

选A　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项正确；金属护栏表面涂漆的原理是隔绝金属护栏与空气的接触，从而减缓金属护栏的腐蚀，B项错误；汽车底盘喷涂高分子膜的原理也是隔绝与空气的接触，C项错误；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项错误。

8.（2012·山东高考）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，CuZn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，ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的

解析：

选B　图a中，铁棒发生电化学腐蚀，靠近底端的部分与氧气接触少，腐蚀程度较轻，选项A错误；图b中开关置于M时，CuZn合金作负极，由M改置于N时，CuZn合金作正极，腐蚀速率减小，选项B正确；图c中接通开关时Zn作负极，腐蚀速率增大，但氢气在Pt极上放出，选项C错误；图d中ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由Zn的氧化反应引起的，选项D错误。

9.请判断下列有关金属腐蚀与防护的说法正误。

（1）生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱（　　）

（2）用锡焊接的铁制器件，焊接处易生锈（　　）

（3）铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀（　　）

（4）钢管与电源正极连接，钢管可被保护（　　）

（5）铁遇冷浓硝酸表现钝化，可保护内部不被腐蚀（　　）

（6）钢管与铜管露天堆放在一起时，钢管不易被腐蚀（　　）

（7）钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应是Fe－3e－===Fe3＋（　　）

提示：

（1）生铁中含有碳，构成原电池加快了腐蚀速率，正确；

（2）用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈，是因为构成的原电池中Fe作负极，加快了腐蚀速率，正确；（3）铁管上镶嵌锌块，构成的原电池中Fe作正极，受到保护，正确；（4）钢管与电源正极相连，则钢管作阳极，发生氧化反应而被腐蚀，错误；（5）铁遇冷浓硝酸表面钝化，在表面生成一层致密的氧化膜保护内部不被腐蚀，正确；（6）钢管与铜管露天堆放在一起，形成原电池时钢管作负极，发生氧化反应而被腐蚀，错误；（7）钢铁发生析氢腐蚀时，负极反应为：

Fe－2e－===Fe2＋，错误。

答案：

（1）√　

（2）√　（3）√　（4）×　（5）√　（6）×（7）×

1.判断金属腐蚀的快慢六个规律

规律一　在同一电解质溶液中，金属腐蚀由快到慢的顺序：

电解原理引起的腐蚀＞原电池原理引起的腐蚀＞化学腐蚀＞应用原电池原理有保护措施的腐蚀＞应用电解原理有保护措施的腐蚀。

或电解池阳极＞原电池负极＞化学腐蚀＞原电池正极＞电解池阴极。

规律二　同一种金属在不同介质中腐蚀由快到慢的顺序：

强电解质溶液＞弱电解质溶液＞非电解质溶液。

规律三　对于活动性不同的两种金属的合金，活动性差别越大，氧化还原反应速率越快，活泼金属腐蚀越快。

规律四　对于同一电解质溶液，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀越快（除钝化外）。

规律五　纯度越高的金属，腐蚀的速率越慢。

规律六　不纯的金属或合金，在潮湿的空气中腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。

2.金属防护的三种方法

方法一　改变金属的内部结构。

如把铬、镍等加到普通钢里制成不锈钢。

方法二　加防护层。

如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属或其氧化物。

方法三　电化学防护。

①牺牲阳极保护法——原电池原理：

正极为被保护的金属；负极为比被保护的金属活泼的金属；②外加电流阴极保护法——电解原理：

阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。

电化学中的组合装置问题

将原电池和电解池结合在一起，综合考查化学反应中的能量变化、氧化还原反应、化学实验和化学计算等知识，是高考试卷中电化学部分的重要题型。

该类题目的考查内容通常有以下几个方面：

电极的判断、电极反应方程式的书写、实验现象的描述、溶液中离子的移动、pH的变化及电解质溶液的恢复、运用电子守恒处理相关数据等。

解答该类试题时电池种类的判断是关键，整个电路中各个电池工作时电子守恒，是数据处理的法宝。

1.多池串联装置中电池类型的判断

（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