第六章 化学反应与能量 第三节电解池 金属的电化学腐蚀与防护.docx
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第六章化学反应与能量第三节电解池金属的电化学腐蚀与防护
第六章 化学反应与能量
第三节电解池 金属的电化学腐蚀与防护
考点一
电解原理
[教材知识层面]
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。
2．电解池（也叫电解槽）
（1）概念：
电解池是把电能转变为化学能的装置。
（2）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。
（3）电极名称及电极反应式（如图）：
总反应方程式：
Cu2＋＋2Cl－
Cu＋Cl2↑
（4）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。
[高考考查层面]
命题点1 电解方程式的书写
1．方法步骤
（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（勿忘水溶液中的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＋（水溶液中Al3＋、Mg2＋、Na＋、Ca2＋、K＋不放电）。
阳极：
活泼电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子（水溶液中含氧酸根离子不放电）。
（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。
2．注意问题
（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）注意题目信息中提示的离子的放电，如电解法制取KMnO4等。
[典题示例]
1．按要求书写有关的电极反应式及总方程式。
（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：
___________________________________________________。
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）Cu－2e－===Cu2＋ 2H＋＋2e－===H2↑
Cu＋2H＋
Cu2＋＋H2↑
2．Ⅰ.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________________________________________________________________________。
Ⅱ.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：
______________________。
解析：
Ⅰ.依据信息阳极形成的氧化膜一定为Al2O3，Al失电子生成Al2O3，Al2O3中的氧是由水提供的，溶液显酸性，所以有H＋生成；Ⅱ.Al作阳极，失电子，生成Al3＋，Al3＋水解显酸性，溶液中的HCO
水解显碱性，两者水解互相促进，生成Al（OH）3和CO2。
答案：
Ⅰ.2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋
Ⅱ.Al＋3HCO
－3e－===Al（OH）3＋3CO2↑
命题点2 电解质溶液的类型及规律
[典题示例]
1.如图是电解饱和NaCl溶液的实验装置，其中c、d为石墨电极。
则下列有关判断中正确的是（ ）
A．a为正极、b为负极
B．c为阴极、d为阳极
C．电解过程中，d电极质量增加
D．电解过程中，氯离子浓度不变
解析：
选A 由电子流向可知，a为正极，b为负极，c为阳极，d为阴极，c极：
2Cl－－2e－===Cl2↑；d极：
2H＋＋2e－===H2↑，因此，B、C、D项均错。
2．（2014·海南高考）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
解析：
选D 以石墨为电极，电解KI溶液的方程式是2KI＋2H2O通电,I2＋H2↑＋2KOH。
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；在阴极由于产生氢气，溶液显碱性，遇酚酞，溶液变为红色。
因为产生了碱，溶液碱性增强，所以溶液的pH变大。
因此选项是D。
3．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．AgNO3CuCl2 Cu（NO3）2
B．KCl Na2SO4 CuSO4
C．CaCl2 KOH NaNO3
D．HCl HNO3 K2SO4
解析：
选B 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
[方法技巧]
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（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）
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）
电解质
减小
增大
通入氯化氢气体
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生成碱阳极：
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（如CuSO4）
电解质
和水
生成新电解质
减小
加氧化铜
[考点达标层面]
1.（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。
2．如下图所示，x、y分别是直流电源的两极，通电后发现a极极板质量增加，b极极板处有无色无味的气体放出，符合这一情况的是（ ）
a极板
b极板
x电极
z溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
负极
NaOH
C
银
铁
正极
AgNO3
D
铜
石墨
负极
CuCl2
解析：
选A 由题意知a极板质量增加，a应为阴极，则b为阳极，x为电源的负极，y为电源正极。
A选项中a极板为阴极，b极板为阳极，参考各个选项知，A项符合，电解时，a极有Cu附着，b极有O2放出；B项不符合，电解时a极无质量变化；C项阳极为Fe，为活性电极，电解时Fe在阳极放电溶解，无气体生成，故C项不符合；D项电解时，Cl－在阳极放电生成Cl2，Cl2为黄绿色有刺激气味的气体，与原题题意不符合。
考点二
电解原理的应用
[教材知识层面]
1．电解饱和食盐水
（1）电极反应：
阳极：
2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）
阴极：
2H＋＋2e－===H2↑（还原反应）
（2）总反应方程式：
2NaCl＋2H2O
2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
离子方程式：
2Cl－＋2H2O
2OH－＋H2↑＋Cl2↑
（3）应用：
氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。
2．电镀和电解精炼铜
电镀
（Fe上镀Cu）
电解精炼铜
阳
极
电极材料
镀层金属铜
粗铜（含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质）
电极反应
Cu－2e－===Cu2＋
Cu－2e－===Cu2＋
Zn－2e－===Zn2＋
Fe－2e－===Fe2＋
Ni－2e－===Ni2＋
阴
极
电极材料
待镀金属Fe
纯铜
电极反应
Cu2＋＋2e－===Cu
电解质溶液
含Cu2＋的盐溶液
电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥
3．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
[高考考查层面]
命题点1 电解原理在工业中的应用
1．利用如图所示装置，当X、Y选用不同材料时，可将电解原理广泛应用于工业生产。
下列说法中正确的是（ ）
A．氯碱工业中，X、Y均为石墨，X附近能得到氢氧化钠
B．铜的精炼中，X是纯铜，Y是粗铜，Z是CuSO4
C．电镀工业中，X是待镀金属，Y是镀层金属
D．外加电流的阴极保护法中，Y是待保护金属
解析：
选D 电解饱和食盐水时，阴极区得到H2和NaOH。
铜的电解精炼时，应用粗铜作阳极、纯铜作阴极；电镀时，应以镀层金属作阳极、待镀金属作阴极。
2．电化学原理广泛用于工业生产中，如有一种电化学净水法的原理是：
在电解过程中将低价金属离子（如Co2＋）氧化成高价态的离子（Co3＋），然后以此高价态的金属离子作氧化剂把废水中的有机物氧化成CO2而净化。
实验室用如图装置模拟上述过程，下列说法正确的是（ ）
A．电极a可以是石墨，电极b可以是铜
B．电解后阴极附近H＋浓度不变
C．Co3＋氧化甲醇的离子方程式为：
6Co3＋＋CH3OH＋H2O===CO2↑＋6Co2＋＋6H＋
D．当1mol甲醇被完全氧化时，阳极应该失去4mol电子
解析：
选C 选项A，Cu与电源正极相连时，Cu失去电子而溶解，所以b极不能用Cu，应用石墨等惰性电极。
选项B，根据题给信息，阳极是溶液中的Co2＋失去电子生成Co3＋：
2Co2＋－2e－===2Co3＋，阴极是溶液中的H＋得到电子变为H2：
2H＋＋2e－===H2↑，所以阴极附近H＋浓度变小。
选项C，CH3OH被氧化为CO2，溶液中的Co3＋被还原为Co2＋，再根据得失电子守恒和离子方程式的正误判断方法可知该离子方程式正确。
选项D，阳极失去电子的物质的量等于Co3＋获得电子的物质的量，1molCH3OH被氧化，转移6mol电子。
命题点2 电解原理在计算中的应用
根据电解原理进行的相关计算主要包括以下几个方面，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。
具体解题方法主要有以下三种：
[典题示例]
1．将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重0.064g（设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化），此时溶液中氢离子浓度约为（ ）
A．4×10－3mol/L B．2×10－3mol/L
C．1×10－3mol/LD．1×10－7mol/L
解析：
选A 阴极反应：
Cu2＋＋2e－===Cu，增重0.064g应是Cu的质量，设生成H＋的物质的量为x，根据总反应方程式：
2Cu2＋＋2H2O
2Cu＋O2↑＋4H＋
2×64g 4mol
0.064g x
x＝0.002mol
c（H＋）＝
＝4×10－3mol/L。
2．（2015·六盘水质检）用惰性电极电解400mL一定浓度的硫酸铜溶液（不考虑电解过程中溶液体积的变化），通电一段时间后进行如下操作。
（1）如果向所得的溶液中加入0.1molCuO后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH，电解过程中转移的电子为________mol。
（2）如果向所得的溶液中加入0.1molCu（OH）2后，使溶液恰好恢复到电解前的浓度和pH，电解过程中转移的电子为________mol。
解析：
（1）电解硫酸铜溶液的反应方程式为2CuSO4＋2H2O
2Cu＋2H2SO4＋O2↑，从方程式可以看出，电解硫酸铜过程中只析出铜和释放出氧气，加入0.1molCuO可以使溶液恢复至原来状态，说明参与反应的硫酸铜只有0.1mol，转移的电子为0.2mol。
（2）加入0.1molCu（OH）2可以使溶液恢复至原来状态，说明电解过程中不仅硫酸铜被电解，而且有水被电解。
0.1molCu（OH）2可以看做是0.1mol的CuO和0.1mol的H2O，因此电解过程中有0.1mol的硫酸铜和0.1mol的水被电解。
2CuSO4＋2H2O
2Cu＋O2↑＋2H2SO4～4e－
2mol 4mol
0．1mol 0.2mol
2H2O
2H2↑＋O2↑～4e－
2mol 4mol
0．1mol 0.2mol
所以，共转移电子＝0.2mol＋0.2mol＝0.4mol。
答案：
（1）0.2
（2）0.4
[考点达标层面]
1．Ⅰ.（2012·福建高考节选）
（1）电镀时，镀件与电源的________极连接。
（2）化学镀的原理是利用化学反应生成金属单质沉积在镀件表面形成的镀层。
若用铜盐进行化学镀铜，应选用________（填“氧化剂”或“还原剂”）与之反应。
Ⅱ.（2012·全国卷节选）粗铜的电解精炼如图所示。
在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________（填图中的字母）；
在电极d上发生的电极反应式为________________________________________；
若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为___________。
Ⅲ.（2012·山东高考节选）以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜（含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质）的电解精炼，下列说法正确的是________。
a．电能全部转化为化学能
b．粗铜接电源正极，发生氧化反应
c．溶液中Cu2＋向阳极移动
d．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
解析：
Ⅰ.
（1）电镀池中，镀件就是待镀金属制品，作阴极，与电源的负极相连；镀层金属为阳极，与电源正极相连。
（2）要把铜从铜盐中置换出来，用铁即可，铁作还原剂，所以应加入还原剂。
Ⅱ.粗铜的电解精炼时，粗铜作阳极与电源正极相连，所以粗铜板是图中电极c，d是阴极，发生的反应是Cu2＋＋2e－===Cu，Au、Ag不如铜活泼，以单质的形式沉积在c（阳极）下方，Fe比铜活泼，以Fe2＋的形式进入电解质溶液中。
Ⅲ.粗铜的电解精炼时，电能不可能全部转化为化学能，a错误；粗铜作阳极与电源正极相连，发生氧化反应，b正确；溶液中的Cu2＋向阴极移动，c错误；不活泼金属Ag、Pt、Au等金属在阳极沉积，可以回收。
答案：
Ⅰ.
（1）负
（2）还原剂 Ⅱ.c Cu2＋＋2e－===Cu Au、Ag以单质的形式沉积在c（阳极）下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解质溶液中 Ⅲ.bd
2．（2015·铜川联考）在下图中，甲烧杯中盛有100mL0.50mol·L－1AgNO3溶液，乙烧杯中盛有100mL0.25mol·L－1CuCl2溶液，A、B、C、D均为质量相同的石墨电极，如果电解一段时间后，发现A极比C极重1.9g，则
（1）电源E为________极，F为________极。
（2）A极的电极反应式为__________________________________________________，
析出物质________mol。
（3）B极的电极反应式为_________________________________________________，
析出气体________mL（标准状况）。
（4）C极的电极反应式为_________________________________________________，
析出物质________mol。
（5）D极的电极反应式为_______________________________________________，
析出气体________mL（标准状况）。
（6）甲烧杯中滴入石蕊试液，________附近变红，如果继续电解，在甲烧杯中最终得到________溶液。
解析：
本题是以电解知识为依托的综合性较强的题目。
由于有外接直流电源，所以装置甲、乙均为电解池，两个电解池的关系为串联。
电解一段时间后，A极比C极重。
故A极上必有Ag析出，由于Ag＋在A极上获得电子发生了还原反应，故A极为电解池的阴极，在电解池中阴极与外接直流电源的负极相连，故E极为负极，F极为正极。
根据电解池甲、乙的串联关系，可进一步得出A、B、C、D依次为阴极、阳极、阴极、阳极。
电极反应依次为：
A极：
4Ag＋＋4e－===4Ag，B极：
4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，C极：
2Cu2＋＋4e－===2Cu，D极：
4Cl－－4e－===2Cl2↑，由于串联时各电极上流过的电量是相同的，假设电路中均通过4mol电子，则A极上生成4molAg，B极上生成1molO2，C极上生成2molCu，D极上生成2molCl2，这样便可得出一个关系式：
4e－～4Ag～O2～2Cu～2Cl2，A极比C极重4mol×108g·mol－1－2mol×64g·mol－1＝304g，根据A极比C极重1.9g，可列出比例式求出反应生成的Ag和Cu的物质的量：
n（Ag）＝
×4mol＝0.025mol，n（Cu）＝0.0125mol，n（O2）＝0.00625mol,n（Cl2）＝0.0125mol。
电解时甲池随着B极附近水电离产生的OH－的不断消耗，H＋的物质的量逐渐增大，所以滴入石蕊试液后B极附近变红，而A极上Ag＋不断得到电子析出Ag，故在甲烧杯中最终得到HNO3溶液。
答案：
（1）负 正
（2）Ag＋＋e－===Ag 0.025
（3）4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 140
（4）Cu2＋＋2e－===Cu 0.0125
（5）2Cl－－2e－===Cl2↑ 280
（6）B HNO3
考点三
金属的腐蚀与防护
[教材知识层面]
1．化学腐蚀与电化学腐蚀的比较
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的比较（以钢铁的腐蚀为例）
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
铁锈的形成：
4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3，2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O（铁锈）＋（3－x）H2O。
3．金属的防护
（1）电化学防护
①牺牲阳极的保护法——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。
[高考考查层面]
命题点1 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的分析判断
1.（2015·潍坊模拟
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