电解池金属腐蚀与防护.docx

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电解池金属腐蚀与防护

第三讲　电解池　金属腐蚀与防护

1.理解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。

2．了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。

2016，卷乙11T、28T（3）；

2015，卷Ⅱ28T

（2）；

2014，卷Ⅰ27T（4）；

2014，卷Ⅱ27T（3）

　电解原理

[知识梳理]

一、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。

二、电解池

1．电极名称及电极反应式

以用惰性电极电解CuCl2溶液为例：

总反应方程式：

CuCl2

Cu＋Cl2↑。

2．电解池中电子和离子的移动

注意：

电子只在导线中移动，不可流经溶液。

三、阴、阳极的判断及电极反应式的书写

1．判断电解池的阴、阳极

（1）根据外接电源的正、负极判断

电源正极连接阳极；电源负极连接阴极。

（2）根据电极产物判断

电极溶解、逸出O2（或电极区变酸性）或逸出Cl2的为阳极；析出金属、逸出H2（或电极区变碱性）的为阴极。

2．电极反应式的书写步骤

（1）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－）。

（2）排出阴、阳两极的放电顺序

①阳极

活性电极（Zn、Fe、Cu等）：

电极材料失电子；

惰性电极（Pt、Au、石墨等）：

S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根。

②阴极

Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋（酸中）>Fe2＋>Zn2＋。

（3）写出两极电极反应式

①阳极：

活性电极失去电子生成相应的金属阳离子；溶液中的阴离子失去电子生成相应的单质或高价态化合物。

②阴极：

溶液中的阳离子得到电子生成相应的单质或低价态化合物。

（4）写出电解总反应式

在两极转移电子数目相同的前提下，两极反应式相加即可得总反应的化学方程式或离子方程式。

[自我检测]

1．分析电解下列物质的过程、总结电解规律（用惰性电极电解），并完成表格内容。

电解质

（水溶液）

电极反应式

被电解的物质

总化学方程式或离子方程式

电解质浓

度变化

溶液pH变化

电解质溶液复原方法

含氧酸

（如H2SO4）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

加______

强碱（如

NaOH）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

加______

活泼金属

的含氧酸

盐（如

KNO3、

Na2SO4）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

加______

无氧酸

（如HCl，

除HF外）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

不活泼金

属的无氧

酸盐（如

CuCl2，

除氟化

物外）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

加______

活泼金属

的无氧酸

盐（如

NaCl）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

水和

盐

生成

新电

解质

不活泼金

属的含氧

酸盐（如

CuSO4）

阳极：

_________

__________________

阴极：

__________________

_________

2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑

＋4H＋

生成

新电

解质

加______

（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？

电解质溶液的复原遵循什么原则？

（2）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？

答案：

（从左到右，从上到下）

2H2O－4e－===O2↑＋4H＋　4H＋＋4e－===2H2↑　水　2H2O

O2↑＋2H2↑　增大　减小　水

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－　水　2H2O

O2↑＋2H2↑　增大　增大　水

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　4H＋＋4e－===2H2↑　水　2H2O

O2↑＋2H2↑　增大　不变　水

2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑　酸　2HCl

Cl2↑＋H2↑　减小　增大　通入HCl气体

2Cl－－2e－===Cl2↑　Cu2＋＋2e－===Cu　盐　CuCl2

Cu＋Cl2↑　减小　CuCl2

2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑　2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－　增大　通入HCl气体

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　2Cu2＋＋4e－===2Cu　水和盐　减小　CuO（或CuCO3）

（1）放H2生碱型实质是水电离出的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的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。

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。

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

②不可以；加入Cu（OH）2固体会使溶液的浓度比原来低。

2．（教材改编题）下列关于铜电极的叙述正确的是（　　）

A．铜锌原电池中铜一般作负极

B．电解熔融氯化钠制钠时用铜作阳极

C．在镀件上电镀铜时用金属铜作阳极

D．电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极

解析：

选C。

A项，锌比铜活泼，故铜一般作正极，错误；B项，电解熔融氯化钠时用铜作阳极，阳极上Cl－不能失电子生成Cl2，错误；C项，电镀时，待镀金属作阴极，镀层金属为阳极，正确；D项，电解H2SO4制H2、O2时，阳极必为惰性电极，错误。

电解过程中溶液pH的变化规律

（1）电解时，只生成H2而不生成O2，则溶液的pH增大。

（2）电解时，只生成O2而不生成H2，则溶液的pH减小。

（3）电解时，既生成H2又生成O2，则实际为电解H2O。

①若原溶液为酸性溶液，则溶液的pH减小；

②若原溶液为碱性溶液，则溶液的pH增大；

③若原溶液为中性溶液，则溶液的pH不变。

　（2016·高考全国卷乙，11，6分）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

离子向正极迁移，正极区溶液pH增大

B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液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]　该装置为电解池。

H2O在正（阳）极区放电，生成O2和H＋，正（阳）极区溶液pH减小，中间隔室中的阴离子SO

通过cd离子交换膜移向正（阳）极，故正（阳）极区可得到H2SO4；当电路中通过1mol电子时生成0.25molO2；H2O在负（阴）极区放电，生成OH－和H2，负（阴）极区溶液pH增大，中间隔室中的阳离子Na＋通过ab离子交换膜移向负（阴）极，故负（阴）极区可得到NaOH；A、C、D项错误，B项正确。

[答案]　B

上题中装置不变，若向中间隔室里加入的是含NaNO3废水，则两端隔室分别得到什么产物？

若是NaCl废水呢？

答案：

加入含NaNO3废水时，阳极室得到O2和HNO3，阴极室得到NaOH和H2；加入含NaCl废水时，阳极室得到Cl2，阴极室得到NaOH和H2。

　电解原理的考查

1．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

解析：

选D。

SO

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

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

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。

2．（2017·太原模拟）如图是铅蓄电池充、放电时的工作示意图，已知放电时电池反应为PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO

===2PbSO4＋2H2O。

下列有关说法正确的是（　　）

A．K与N相接时，能量由电能转化为化学能

B．K与N相接时，H＋向负极区迁移

C．K与M相接时，所用电源的a极为负极

D．K与M相接时，阳极附近的pH逐渐增大

解析：

选C。

K与N相接时，构成原电池，能量由化学能转化为电能，H＋向正极区迁移，A、B错；K与M相接时，构成电解池，电源a极为负极，连接阴极Pb，阳极为PbO2，电解槽中的反应为2PbSO4＋2H2O===PbO2＋Pb＋4H＋＋2SO

，阳极附近的H＋浓度逐渐增大，pH减小，故C对，D错。

　电极反应式的书写

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NaOH溶液

阳极反应式：

__________________________________________________________；

阴极反应式：

__________________________________________________________；

总反应离子方程式：

____________________________________________________。

（4）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：

____________________________________________________。

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－＋2OH－===Fe（OH）2

2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－

Fe＋2H2O

Fe（OH）2＋H2↑

（4）2Al－6e－＋8OH－===2AlO

＋4H2O

6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－

2Al＋2OH－＋2H2O

3H2↑＋2AlO

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：

______________________________。

解析：

（1）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；

（2）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：

（1）2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋

（2）Al＋3HCO

－3e－===Al（OH）3↓＋3CO2↑

5．下列离子方程式书写正确的是（　　）

A．用Cu片作阳极电解饱和食盐水：

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

B．用两个铜片作电极电解AgNO3溶液：

4Ag＋＋2H2O

Ag＋O2↑＋4H＋

C．用石墨作电极电解AlCl3溶液：

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

D．用石墨作电极电解CuSO4溶液：

2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋

解析：

选D。

A项，用Cu作阳极电解饱和食盐水，Cu电极本身失电子：

Cu－2e－===Cu2＋，阴极2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，二者相加得Cu＋2H2O

Cu（OH）2＋H2↑；B项，铜在阳极失电子：

Cu－2e－===Cu2＋，阴极为2Ag＋＋2e－===2Ag，总电解反应式为Cu＋2Ag＋

Cu2＋＋2Ag；C项，阴极6H2O＋6e－＋2Al3＋===3H2↑＋2Al（OH）3↓，阳极6Cl－－6e－===3Cl2↑，所以总离子方程式为2Al3＋＋6Cl－＋6H2O

3Cl2↑＋3H2↑＋2Al（OH）3↓。

书写电解池电极方程式的常见失分点

（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）要确保两极电子转移数目相同，且总反应式注明条件“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。

　电解原理的应用

[知识梳理]

一、电解饱和食盐水

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．总反应化学方程式及离子方程式

化学方程式：

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。

二、电镀和电解精炼铜

电镀（Fe表面镀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＋

Zn－2e－===Zn2＋

Fe－2e－===Fe2＋

Ni－2e－===Ni2＋

Cu－2e－===Cu2＋

阴极

电极材料

待镀金属铁

纯铜

电极反应

Cu2＋＋2e－===Cu

电解质溶液

含Cu2＋的盐溶液

注：

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

三、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。

1．冶炼钠

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

电极反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑；

阴极：

2Na＋＋2e－===2Na。

2．冶炼镁

MgCl2（熔融）

Mg＋Cl2↑

电极反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑；

阴极：

Mg2＋＋2e－===Mg。

3．冶炼铝

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

电极反应：

阳极：

6O2－－12e－===3O2↑；

阴极：

4Al3＋＋12e－===4Al。

[自我检测]

1．（2017·威海模拟）下列描述错误的是（　　）

A．从海水中可以制取镁、溴、碘等物质

B．电解精炼铜（含少量Fe、Zn、Ag）的电解后溶液中，存在的金属阳离子只有Fe2＋、Zn2＋

C．电解饱和食盐水可以制取烧碱、氯气、氢气

D．在镀件上电镀铜，电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量

解析：

选B。

海水中含有镁、溴、碘等元素，因此从海水中可以制取镁、溴、碘等物质，A正确；电解精炼铜（含少量Fe、Zn、Ag）的电解后溶液中，存在的金属阳离子除了有Fe2＋、Zn2＋外，还有Cu2＋，B错误；电解饱和食盐水阳极是氯离子放电，其产物是氯气，阴极是氢离子放电，其产物是氢气和氢氧化钠，C正确；镀铜时，待镀金属作阴极，镀层金属作阳极，含有镀层金属离子的溶液作电镀液，所以在镀件上电镀铜，电镀过程中阳极减少的质量等于阴极增加的质量，D正确。

2．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____________________________________________。

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。

答案：

（1）阳极　CO（NH2）2＋8OH－－6e－===N2↑＋CO

＋6H2O　

（2）阴极　6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－

（1）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。

（2）电镀时，阳极镀层金属失去电子的数目与阴极镀层金属离子得到电子的数目相等，因此电镀液的浓度保持不变。

（3）在电解原理的几个常见应用中，电镀和电解精炼铜比较相似，但注意区别：

电镀过程中，溶液中离子浓度不变，电解精炼铜时，由于粗铜中含有Zn、Fe、Ni等活泼金属，反应过程中失去电子形成阳离子存在于溶液中，而阴极上Cu2＋被还原，所以电解精炼过程中，溶液中的阳离子浓度会发生变化，同时阴、阳两极的质量变化也不相等。

　（2015·高考上海卷）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）离子交换膜的作用为_________________________、________________________。

（2）精制饱和食盐水从图中________位置补充，氢氧化钠溶液从图中________位置流出。

（选填“a”“b”“c”或“d”）

[解析]　

（1）图中的离子交换膜只允许阳离子通过，是阳离子交换膜，不能使阴离子和气体通过，这样就可以阻止阳极的Cl－和产生的Cl2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混合发生反应而爆炸。

（2）随着电解的进行，溶质NaCl不断消耗，所以应该及时补充。

精制饱和食盐水从与阳极连接的图中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；水不断消耗，所以从b位置不断加入蒸馏水，从c位置流出的是稀的NaCl溶液。

[答案]　

（1）能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混合发生反应而爆炸

（2）a　d

（1）在氯碱工业中，隔膜是非常重要的，若采用无隔膜法电解冷的食盐水时，Cl2会与NaOH充分接触，导致产物仅是NaClO和H2。

无隔膜法电解冷的食盐水相应的离子方程式为__________________________________________________________。

（2）氯碱工业耗能高，一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可以节（电）能30%以上。

在这种工艺设计中，相关物料的传输与转化关系如下图所示，其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过。

①精制的饱和NaCl溶液应从图中电解池的________（填写“左”或“右”）室注入。

②图中X是____________（填化学式）；乙中右室的电极反应式为____________________，图示中氢氧化钠溶液质量分数a%与b%的关系是____________（填字母）。

A．a%＝b%　　B．a%＞b%　　

C．a%＜b%

解析：

（1）根据反应物和最终产物知，把Cl2和OH－看作中间产物约去，相当于合并2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－与Cl2＋2OH－===Cl－＋ClO－＋H2O，得到Cl－＋H2O

H2↑＋ClO－。

（2）燃料电池中，通入空气的电极是正极，则通入Y的电极为负极，结合电解池电极产物知Y为H2，故Y为电解池甲的阴极产物，则X为其阳极产物Cl2；由此可推知精制的饱和NaCl溶液应从图中电解池的左室注入；燃料电池乙的正极发生得电子的还原反应：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－，电池中的离子膜只允许阳离子通过，阳离子Na＋的移动方向是从负极流向正极，正极氧气得到电子产生OH－，所以经正极反应后氢氧化钠的浓度升高，即a%＜b%。

答案：

（1）Cl－＋H2O

H2↑＋ClO－

（2）①左　②Cl2　O2＋2H2O＋4e－===4OH－　C

工业上用粗盐生产烧碱、氯气和氢气的过程

　电解原理的常规应用

1．（教材改编题）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

答案：

D

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）。