教学设计第3讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护.docx

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教学设计第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，能写出常见的简单电极反应和电池反应方程式。

2.认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原因，能用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。

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

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）

1．电解水型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

含氧酸（如H2SO4）

阳极：

4OH－

－4e－===O2↑＋2H2O阴极：

4H＋＋4e－===2H2↑

H2O

2H2O

O2↑＋2H2↑

增大

减小

加H2O

强碱（如NaOH）

增大

加H2O

活泼金属的含氧酸盐

（如KNO3、Na2SO4）

不变

加H2O

（1）电解水型电解一段时间后，其电解质的浓度一定增大吗？

举例说明。

答案　不一定，如用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液，一段时间后会析出Na2SO4·10H2O晶体，剩余溶液仍为该温度下的饱和溶液，此时浓度保持不变。

（2）用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液，一段时间后，析出wgNa2SO4·10H2O晶体，阴极上放出ag气体，则饱和Na2SO4溶液的质量分数为__________。

答案　

×100%

解析　2H2O

2H2↑＋O2↑

mol　　　

mol

被电解的水的质量为9ag

被电解的水与wg晶体组成该温度下的饱和溶液

其质量分数为

×100%＝

×100%。

2．电解电解质型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解

物质

总化学方程式

电解

质浓度

溶液pH

溶液

复原

无氧酸（如HCl），除HF外

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

酸

2HCl

H2↑＋Cl2↑

减小

增大

通入HCl气体

不活泼金属的无氧酸盐（如CuCl2），除氟化物外

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu

盐

CuCl2

Cu＋Cl2↑

加CuCl2固体

3.放H2生碱型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

活泼金属的无氧酸盐

（如NaCl）

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

水和盐

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

生成新电解质

增大

通入HCl气体

4.放O2生酸型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4）

阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

阴极：

2Cu2＋＋4e－===2Cu

水和盐

2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋

生成新电解质

减小

加CuO或CuCO3

（1）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。

（2）①上表3中要使电解后的NaCl溶液复原，滴加盐酸可以吗？

②上表4中要使电解后的CuSO4溶液复原，加入Cu（OH）2固体可以吗？

答案　电解质溶液的复原应遵循“从溶液中析出什么补什么”的原则，即从溶液中析出哪种元素的原子，则应按比例补入哪些原子。

①电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2，所以应通入氯化气体，加入盐酸会引入过多的水。

②a.若通电一段时间，CuSO4未电解完（即Cu2＋未全部放电），使溶液复原应加入CuO，而加入Cu（OH）2会使溶液的浓度减小。

b.若Cu2＋全部放电，又继续通电一段时间（此时电解水），要使溶液复原应加入Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3，若只加入CuO，此时浓度偏大。

题组一　突破电极反应式、电解方程式的书写

1．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_____________________________________________________；

总反应化学方程式_______________________________________________。

（4）用铁作电极电解NaOH溶液

阳极反应式______________________________________________________；

阴极反应式_______________________________________________________；

总反应离子方程式_________________________________________________。

（5）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__________________________________________________。

（6）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__________________________________________________。

（7）以铝材为阳极，电解H2SO4溶液，铝材表面形成氧化膜

阳极反应式________________________________________________________；

阴极反应式_______________________________________________________；

总反应离子方程式___________________________________________________。

（8）用Al单质作阳极，石墨作阴极，电解NaHCO3溶液

阳极反应式__________________________________________________________；

阴极反应式__________________________________________________________；

（9）用惰性电极电解熔融MgCl2

阳极反应式__________________________________________________________；

阴极反应式__________________________________________________________；

总反应离子方程式____________________________________________________。

答案　

（1）4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

4Ag＋＋4e－===4Ag

4Ag＋＋2H2O

4Ag＋O2↑＋4H＋

（2）2Cl－－2e－===Cl2↑

2H＋＋2e－===H2↑

Mg2＋＋2Cl－＋2H2O

Mg（OH）2↓＋Cl2↑＋H2↑

（3）Fe－2e－===Fe2＋

2H＋＋2e－===H2↑

Fe＋2H2O

Fe（OH）2↓＋H2↑

（4）Fe－2e－＋2OH－===Fe（OH）2

2H＋＋2e－===H2↑

Fe＋2H2O

Fe（OH）2＋H2↑

（5）Cu－2e－===Cu2＋

2H＋＋2e－===H2↑

Cu＋2H＋

Cu2＋＋H2↑

（6）2Al－6e－＋8OH－===2AlO

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

2Al＋2H2O＋2OH－

2AlO

＋3H2↑

（7）2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋

6H＋＋6e－===3H2↑

2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑

（8）2Al＋6HCO

－6e－===2Al（OH）3↓＋6CO2↑

6H＋＋6e－===3H2↑

（9）2Cl－－2e－===Cl2↑

Mg2＋＋2e－===Mg

Mg2＋＋2Cl－

Mg＋Cl2↑

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＋）。

（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“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，且应注明条件“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。

题组二　电解原理和电解规律的考查

2．如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

答案　D

解析　SO

、OH－移向b极，在b极OH－放电，产生O2，b极附近c（H＋）>c（OH－），石蕊溶液变红。

Na＋、H＋移向a极，在a极H＋放电产生H2，a极附近c（OH－）>c（H＋），石蕊溶液变蓝。

所以产生的气体体积a电极的大于b电极的；两种气体均为无色无味的气体。

A、B、C均错。

3．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2.24L（标况下）

答案　BD

解析　由2CuSO4＋2H2O

2Cu＋2H2SO4＋O2↑知，如CuSO4未电解完，加CuO即可复原，而加入Cu（OH）2相当于加入CuO·H2O，故CuSO4电解完后，还电解了部分水。

电解析出了0.1molCu，转移电子0.2mol，而电解0.1molH2O转移电子0.2mol，故转移的电子的总物质的量为0.4mol。

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

如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？

答案　阳极产物Cl2可以用淀粉KI试纸检验，阴极产物H2可以通过点燃检验，NaOH可以用酚酞试剂检验。

（2）氯碱工业在生产过程中必须把阳极室和阴极室用离子交换膜隔开，原因是什么？

答案　防止H2和Cl2混合爆炸，防止Cl2与溶液中的NaOH反应。

2．电解精炼铜时，阳极泥是怎样形成的？

答案　粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性位于铜之前的金属杂质，如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子，但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不能在阴极析出，而只能以离子的形式留在电解液里。

金属活动性位于铜之后的银、金等杂质，因为失去电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。

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，X是纯铜

D．制取金属镁时，Z是熔融的氯化镁

答案　CD

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，由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质，溶液中Cu2＋浓度变小。

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NaCl

B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D．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___________。

答案　

（1）0.1mol·L－1　

（2）B

（3）Fe　Fe＋2H2O

Fe（OH）2↓＋H2↑

解析　

（1）n（H2）＝n（Cl2）＝0.005mol，参加反应的n（NaCl）＝0.01mol，说明NaCl恰好电解完毕，溶液变为NaOH溶液，n（NaOH）＝n（NaCl）＝0.01mol，c（NaOH）＝0.1mol·L－1。

（2）电解饱和氯化钠溶液的总反应：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑，题目要求使Cl2被完全吸收，则氯气必须在下部的电极上产生，下部的电极是阳极，推出b为电源的正极，另一极为负极a。

生成的Cl2与阴极区产生的NaOH反应：

Cl2＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，则消毒液的主要成分是NaClO、NaCl。

（3）题目要求通过电解法制取Fe（OH）2，电解质溶液是NaCl溶液，必须通过电极反应产生Fe2＋和OH－。

根据电极发生反应的特点，选择铁作阳极，铁发生氧化反应产生Fe2＋；溶液中的阳离子Na＋、H＋向阴极移动，根据放电顺序，阴极H＋放电产生氢气，H＋来源水的电离，反应式2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。

在电场作用下，阳极产生的Fe2＋与阴极产生的OH－在定向移动的过程中相遇，发生复分解反应生成Fe（OH）2沉淀。

将阳极反应式、阴极反应式叠加得到总的反应式：

Fe＋2H2O

Fe（OH）2↓＋H2↑。

题组二　电解原理的“不寻常”应用

（一）电解原理在“环境治理”中的不寻常应用

3．（2015·淮安高三教学测试）工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

已知：

①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解

②氧化性：

Ni2＋（高浓度）＞H＋＞Ni2＋（低浓度）

A．碳棒上发生的电极反应：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

B．电解过程中，B中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减少

C．为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水pH

D．若将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，则电解反应总方程式发生改变

答案　B

解析　电极反应式为

阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

阴极：

Ni2＋＋2e－===Ni

2H＋＋2e－===H2↑

A项正确；B项，由于C中Ni2＋、H＋不断减少，Cl－通过阴离子膜从C移向B，A中OH－不断减少，Na＋通过阳离子膜从A移向B，所以B中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大，错误；C项，由于H＋的氧化性大于Ni2＋（低浓度）的氧化性，所以为了提高Ni的产率，电解过程需要控制废水的pH；D项，若去掉阳离子膜，在阳极Cl－放电生成Cl2，反应总方程式发生改变，正确。

4．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，其原理如下图所示（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________。

答案　

（1）负　硫酸

（2）SO

－2e－＋H2O===SO

＋2H＋

（3）H2OH＋＋OH－，在阴极H＋放电生成H2，c（H＋）减小，水的电离平衡正向移动，碱性增强

解析　根据Na＋、SO

的移向判断阴、阳极。

Na＋移向阴极区，a应接电源负极，b应接电源正极，其电极反应式分别为

阳极：

SO

－2e－＋H2O===SO

＋2H＋

阴极：

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

所以从C口流出的是H2SO4，在阴极区，由于H＋放电，破坏水的电离平衡，c（H＋）减小，c（OH－）增大，生成NaOH，碱性增强，从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。

（二）电解原理在“物质制备”中的不寻常应用

5．根据2CrO

＋2H＋Cr2O

7＋H2O设计图示装置（均为惰性电极）电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7，图中右侧电极连接电源的______极，其电极反应式为_________________________。

答案　正极　4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

解析　根据NaOH溶液浓度的变化及Na＋交换膜，左侧为阴极区域，右侧为阳极区域，电极反应式为

阴极：

4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－

阳极：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

在阳极区域：

2CrO

＋2H＋Cr2O

7＋H2O。

6．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________，电极反应式为_________________________________________。

（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↑