第九讲 电解池金属的电化学腐蚀与防护1227.docx

第九讲 电解池金属的电化学腐蚀与防护1227.docx

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第九讲电解池金属的电化学腐蚀与防护1227

第九讲电解池&金属的电化学腐蚀与防护

Ø知识回顾

原电池

1.定义：

将化学能转变成电能的装置。

2.负极：

较活泼的金属（失电子，氧化反应）

正极：

较不活泼的金属或能导电的非金属

（得到电子，还原反应）

3.阳离子：

向正极区移动；

阴离子：

向负极区移动。

4.电极反应方程式

Zn-Cu-HCl

负极：

Zn-2e-=Zn2+

正极：

2H++2e-=H2↑

总反应：

2H++Zn=H2↑+Zn2+

Ø本课内容

一、电解池相关概念

1.定义：

把电能转化为化学能的装置。

2.构成条件：

①外加直流电源；②与电源相连的两个电极；③电解质溶液④闭合回路

3.电极名称和电极材料

①电极名称

阳极：

接电源正极的为阳极——发生氧化反应；

阴极：

接电源负极的为阴极——发生还原反应。

②电极材料

惰性电极：

C、Pt、Au等，仅导电，不参与反应；

活性电极：

Fe、Cu、Ag等，既可以导电，又可以参与电极反应。

4.离子放电顺序

（1）阳极：

①阳极为金属电极（除铂、金），金属优先放电

②惰性材料作电极（Pt、Au、石墨等）时：

还原性强的离子优先放电

S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子

（2）阴极：

无论何种材料，电极均不参与反应

氧化性强的离子优先放电

Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋（浓度大时，一般电解）>Fe2＋>Zn2＋>H＋（浓度小时，如电镀）>Al3＋>Mg2＋>Na＋

二、电解池溶液电解规律

1.常见酸碱盐溶液的电解规律（惰性阳极）

电解反应类型

电解质类型

规律

例子

PH变化

溶液复原法

电解水

含氧酸

实质电解水—H2+O2

电解稀H2SO4

降低

加H2O

强碱溶液

实质电解水—H2+O2

电解NaOH溶液

升高

加H2O

活泼金属含氧酸盐

实质电解水—H2+O2

电解Na2SO4溶液

不变

加H2O

电解质分解

无氧酸

酸—

H2+非金属

2HCl==H2+Cl2

升高

加HCl

不活泼金属无氧酸盐

盐—

金属+非金属

CuCl2=Cu+Cl2

----

加CuCl2

放氧生酸

不活泼金属含氧酸盐

盐+水—

金属+O2+酸

2CuSO4+2H2O=2Cu+O2+2H2SO4

降低

加CuO

（CuCO3）

放氢生碱

活泼金属无氧酸盐

盐+水—

H2+非金属+碱

2KCl+2H2O=H2+Cl2+2KOH

升高

加HCl

2.溶液电解pH变化规律

若水中OH-在阳极放电生成O2，则阳极区溶液增生H+，pH降低;若水中H+在阴极放电生成H2，则阴极区溶液增生OH-，pH升高；总反应的结果，若溶液生成酸,则溶液pH降低；若生成碱，则pH升高。

3.具体实例电极方程式

电解质溶液

阳极反应式

阴极反应式

总反应方程式

（条件：

电解）

溶液酸碱性变化

CuCl2

2Cl--2e-=Cl2↑

Cu2++2e-=Cu

CuCl2=Cu+Cl2↑

——

HCl

2Cl--2e-=Cl2↑

2H++2e-=H2↑

2HCl=H2↑+Cl2↑

酸性减弱

Na2SO4

4OH--4e-=2H2O+O2↑

2H++2e-=H2↑

2H2O=2H2↑+O2↑

不变

H2SO4

4OH--4e-=2H2O+O2↑

2H++2e-=H2↑

2H2O=2H2↑+O2↑

消耗水，

酸性增强

NaOH

4OH--4e-=2H2O+O2↑

2H++2e-=H2↑

2H2O=2H2↑+O2↑

消耗水，

碱性增强

NaCl

2Cl--2e-=Cl2↑

2H++2e-=H2↑

2NaCl+2H2O=

H2↑+Cl2↑+2NaOH

H+放电，

碱性增强

CuSO4

4OH--4e-=2H2O+O2↑

Cu2++2e-=Cu

2CuSO4+2H2O=

2Cu+O2↑+2H2SO4

OHˉ放电,

酸性增强

【注意！

！

】内容归结到底都是根据离子放电顺序推出，所以内容不用死记，但离子放电顺序一定牢记，这样自己也能推出各种电解质溶液的电解形式。

三、电解原理应用

1.氯碱工业（常考！

！

）

（1）立式隔膜电解槽

阳离子交换膜的作用：

阻止Cl-、OH-等阴离子及气体分子通过。

这样可防止阴极产生的H2与阳极产生的Cl2混合而爆炸，也避免了Cl2与阴极产生的的NaOH作用生成NaClO而影响NaOH产品质量。

（2）反应原理：

①饱和食盐水成分：

溶液存在Na+、Cl－、H+、OH－四种离子。

②电极反应式：

阴极：

2H+＋2e－=H2↑（还原反应）；阳极：

2Cl－－2e－=Cl2↑（氧化反应）。

电极总反应方程式：

2NaCl+2H2O=H2+Cl2+2NaOH

离子方程式：

2Cl-+2H2O=H2+Cl2+2OH-

（3）产品：

NaOH、H2、Cl2

（4）该电解反应属于放氢生碱型，电解质与水均参与电解反应，类似的还有K2S、MgBr2等。

2.电解精炼（电解精炼铜为例）

（1）装置：

阳极--粗铜；阴极—纯铜；

电解质溶液--铜盐溶液（如CuSO4）

（2）电极反应

阳极：

Cu-2e-=Cu2+

粗铜失电子放电“溶解”。

粗铜中比铜活泼的金属溶解变成阳离子进入溶液，比铜活泼性差的金属如Au、Ag等贵重金属则落入阳极泥中。

阴极：

Cu2++2e-=Cu

溶液中Cu2+得电子放电，生成的Cu沉积在阴极上而得到精铜。

四、电解池与原电池比较

装置

原电池

电解池

实例

原理

使氧化还原反应中电子作定向移动，从而形成电流。

这种把化学能转变为电能的装置叫做原电池。

使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。

这种把电能转变为化学能的装置叫做电解池。

形成条件

①电极：

两种不同的导体相连；

②电解质溶液：

能与电极反应。

①电源；

②电极（惰性或非惰性）；

③电解质（水溶液或熔化态）。

反应类型

自发的氧化还原反应

非自发的氧化还原反应

电极名称

由电极本身性质决定：

正极：

材料性质较不活泼的电极；

负极：

材料性质较活泼的电极。

由外电源决定：

阳极：

连电源的正极；

阴极：

连电源的负极；

电极反应

负极：

Zn-2e-=Zn2+（氧化反应）

正极：

2H++2e-=H2↑（还原反应）

阴极：

Cu2++2e-=Cu（还原反应）

阳极：

2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反应）

电子流向

负极→正极

电源负极→阴极；阳极→电源正极

电流方向

正极→负极

电源正极→阳极；阴极→电源负极

能量转化

化学能→电能

电能→化学能

应用

①抗金属的电化腐蚀；

②实用电池。

①电解食盐水（氯碱工业）；

②电镀（镀铜）；

③电冶（冶炼Na、Mg、Al）；

④精炼（精铜）。

五、金属的电化学腐蚀

1.金属腐蚀

（1）定义：

金属与周围气体或液体发生氧化还原反应而损耗的现象。

（2）本质：

M-ne-=Mn+金属本身发生氧化反应

（3）类型：

①化学腐蚀：

②电化学腐蚀

化学腐蚀

电化学腐蚀

定义

金属与接触到的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。

例如铁丝在氧气中燃烧、铜在氯气中燃烧等。

不纯金属与电解质溶液接触时比较活泼的金属失电子而被氧化的腐蚀

条件

金属与氧化剂直接接触

不纯金属或合金与电解质溶液接触

现象

无电流产生

有微弱电流产生

本质

金属被氧化的过程

较活泼金属被氧化的过程

相互联系

化学腐蚀和电化学腐蚀往往同时发生

2.钢铁的电化学腐蚀

钢铁在潮湿的空气中所发生的腐蚀是电化学腐蚀最突出的例子。

（1）析氢腐蚀（强酸性环境）

　　阳极（Fe）：

Fe-2e-=Fe2+

　　Fe2+＋2H2O=Fe（OH）2＋2H+

　　阴极（杂质）：

2H+＋2e-=H2

　　电池反应：

Fe＋2H2O=Fe（OH）2＋H2↑

（2）吸氧腐蚀（弱酸性、碱性或中性环境）

　　阳极（Fe）：

Fe-2e-=Fe2+

　　阴极：

O2＋2H2O＋4e-=4OH-

　　总反应：

2Fe＋O2＋2H2O=2Fe（OH）2

　析氢腐蚀与吸氧腐蚀生成的Fe（OH）2被氧所氧化，生成Fe（OH）3脱水生成Fe2O3铁锈。

钢铁制品在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

六、金属的化学防护

1.牺牲阳极的阴极保护法

正极：

要保护的金属

负极：

比要保护金属活泼的金属

2.外加电流的阴极保护法（比组成原电池防护更好）

阴极：

被保护的金属

阳极：

惰性电极两者均存在于电解质溶液中接上外接直流电源。

3.覆盖保护膜及其他保护方法

覆盖保护膜（涂油漆，电镀，钝化等）

改变金属的内部结构（钢→不锈钢，在钢中加入镍和铬）

4.金属被腐蚀的速度：

电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀（一般防护条件腐蚀>处于原电池正极条件下的腐蚀>处于电源阴极保护下的腐蚀）

Ø考点剖析

一、电解池相关概念

【例一】

根据右图，回答下列问题：

（1）若闭合S1，装置属于，

锌极作．

（2）若闭合S2，装置属于，

锌极上的反应为．

（3）若闭合S3，装置属于，总反应为

二、电解池溶液电解规律

【例二】

图中装置为原电池或电解池，工作一段时间后

（1）电解质溶液的pH值不变的是．

（2）两极都不能产生气体的是．

（3）当导线通过电子数相等，并且在同温同压时能够产生气体，其中气体总体积最大的是，气体总体积最小是．

（4）电解质溶液中，溶质的物质的量浓度不变是．

三、电解原理应用

【例三】

请从如图中选用必要的装置进行电解饱和食盐水的实验，要求测定产生的氢气的体积，并检验氯气．

（1）A极发生的电极反应式是

B极发生的电极反应式是

（2）设计上述气体实验装置时，各接口的正确连接顺序为：

A接、接；B接接．

（3）证明产物中有Cl2的实验现象是．

（4）已知电解后测得产生的H2的体积为44.8mL（已经折算成标准状况），电解后溶液的体积为50mL，此时溶液中NaOH的物质的量浓度为．

（5）有一和电解饱和食盐水能量转换相反的装置中，一极通入甲烷，另一极通入氧气，电解质溶液为KOH溶液，负极的反应式为正极的反应式为

四、金属的电化学腐蚀

【例四】

铜板上铁铆钉处的腐蚀原理如图所示，下列有关说法错误的是（　　）

A．正极电极反应式为：

2H++2e-=H2↑

B．此过程中还涉及到反应：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）3

C．此过程中铁先被腐蚀

D．此过程中电子由铜板向铁

五、金属的化学防护

【例五】

铁在下列四种情况中腐蚀速率判断正确的是（　　）

A．a＞b＞c＞d

B．b＞a＞d＞c

C．d＞c＞b＞a

D．b＞d＞a＞c

Ø

考题精选

【2013•汕头一模】

如图，下列叙述正确的是（　　）

A．电镀时，通常把待镀的金属制品作阳极

B．氯碱工业是电解熔融的NaCl，在阳极能得到Cl2

C．图中电子由Zn极流向Cu，盐桥中的Cl-移向CuSO4溶液

D．氢氧燃料电池（酸性电解质）中O2通入正极，电极反应为：

O2+4H++4e-=2H2O

【2011•天河区一模】

下列有关说法不正确的是（　　）

A．工业上常用电解熔融氯化铝的方法冶炼铝

B．锌锰干电池中，锌电极发生氧化反应

C．锡青铜（铜锡合金）文物在潮湿环境中的腐蚀比干燥环境中快

D．铜锌原电池工作时，电子沿外电路从锌电极流向铜电极

【2008•深圳二模】

右图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色色斑向d端扩散．下列判断正确的是（　　）

A．滤纸上c点附近会变红色

B．Cu电极质量减小，Pt电极质量增大

C．烧杯中溶液的pH增大

D．烧杯中SO42-向Cu电极定向移动

【2011•广东】

某小组为研究电化学原理，设计如图装置．下列叙述不正确的是（　　）

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：

Cu2++2e-=Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液

从蓝色逐渐变成浅绿色

D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够

大时，Cu2+向铜电极移动

Ø课后练习

如图是一个化学反应过程的示意图．已知甲池的总反应式为：

2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O

（1）请回答图中甲、乙两池的名称．甲电池是装置，

乙池是装置．

（2）请回答下列电极的名称：

通入CH3OH的电极名称是，

B（石墨）电极的名称是．

（3）写出电极反应式：

通入O2的电极的电极反应式是．

A（Fe）电极的电极反应式为，

（4）乙池中反应的化学方程式为．

（5）当乙池中A（Fe）极的质量增加5.40g时，甲池中理论上消耗

O2mL（标准状况下）

附答案及解析：

【例一】

【答案】

原电池；负极；

Zn-2e-═Zn2+；

【解析】

（1）若闭合S1，符合原电池的构成条件：

有活泼性不同的两个电极锌和铜，有电解质溶液硫酸，形成了闭合回路，其中活泼金属锌为负极，故答案为：

原电池；负极；

（2）若闭合S2，则该装置是含有外加电源的装置，属于电解池，金属锌活泼金属作阳极，本身失电子，电极反应为：

Zn-2e-═Zn2+，故答案为：

电解池；Zn-2e-═Zn2+；

（3）若闭合S3，则该装置是含有外加电源的装置，属于电解池，金属锌做阴极，金属铜为阳极，电解的总反应为

【例二】

【答案】

（1）D

（2）D（3）E；C；（4）D

【解析】

（1）A中正极上氢离子放电生成氢气，导致溶液中氢离子浓度减小，则pH增大；

B中阳极上氢氧根离子放电，阴极上氢离子放电，实际上是电解水导致溶液中溶液的体积减小，溶质的物质的量不变，则硫酸浓度增大，溶液的pH减小；

C中阳极上氢氧根离子放电，阴极上铜离子放电，所以溶液中氢离子浓度增大，pH减小；

D该装置属于电镀池，所以溶液的PH不变；

E．该装置中，阳极上氯离子放电，阴极上氢离子放电，所以溶液中氢氧根离子浓度增大，溶液的PH增大；

则溶液PH不变的是D，故选D；

（2）A中正极上氢离子放电生成氢气；

B中阳极上生成氧气，阴极上生成氢气；

C中阳极上生成氧气；

D中阴阳极上都不生成气体；

E中阳极上生成氯气，阴极上生成氢气；

所以两个电极都不产生气体的是D，故选D；

（3）根据

（2）知，B和E中两个电极上都产生气体，但生成1mol氧气需要的电子数大于1mol氯气需要的电子数，所以当转移相同电子时，E中生成气体体积最大，故选E；

根据

（2）知，只有一个电极生成气体的是A、C，且生成1mol氧气需要的电子数大于1mol氢气需要的电子数，所以当转移相同电子时，C中生成气体体积最小，故选C，

故答案为：

E；C；

（4）根据

（1）知，溶质的物质的量浓度不变的是电镀池，故选D．

【例三】

【答案】

（1）2H++2e-=H2↑；2Cl--2e-=Cl2↑；

（2）G、F、H、D、E、C；

（3）湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝；

（4）0.08mol/L；

（5）CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；2O2+8e-+4 H2O=8OH-．

【解析】

（1）电解饱和食盐水获得氯气时，A极是活泼金属电极，应为阴极，阴极上是氢离子得电子，

反应式为：

2H++2e-=H2↑，B极是阳极，阳极是氯离子失电子的过程，反应式是：

2Cl--2e-=Cl2↑，

故答案为：

2H++2e-=H2↑；2Cl--2e-=Cl2↑；

（2）测定产生的氢气的体积用排水量气法，导管是短进长出，所以A接G，用装有淀粉碘化钾溶液的洗气瓶检验氯气时，导管要长进短出，所以B接D，氯气要进行尾气处理，即E接C，故答案为：

G、F、H、D、E、C；

（3）氯气可以将碘化钾中的碘置换出来，生成的碘单质可使使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，所以证明产物中有Cl2的实验现象是湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，故答案为：

湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝；

（4）根据电解饱和食盐水的电解原理方程式：

当产生的H2的体积为44.8mL0.002mol时，生成氢氧化钠的物质的量为0.004mol，所以溶液中NaOH的物质的量浓度=

故答案为：

0.08mol/L；

（5）在甲烷燃料电池中，负极上失电子的是燃料甲烷，在碱性环境下电极反应为：

CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，正极上得电子的是氧气，在碱性环境下电极反应为：

2O2+8e-+4 H2O=8OH-，

故答案为：

CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O；2O2+8e-+4 H2O=8OH-．

【例四】

【答案】AD

【解析】

根据图片知，水中溶解了氧气，铜、铁和水构成了原电池，较活泼的金属作负极，较不活泼的金属作正极，发生吸氧腐蚀．

A、正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为

O2+2H2O+4e-=4OH-，故A错误；

B、负极上发生的电极反应式为：

Fe-2e-=Fe2+，正极上的电极反应式为：

O2+2H2O+4e-=4OH-，亚铁离子和氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁不稳定，容易被空气中的氧气氧化生成氢氧化铁，反应方程式为：

4Fe（OH）2+2H2O+O2=4Fe（OH）3，故B正确；

C、该原电池中铜作正极，原电池放电时，负极失电子容易被腐蚀，正极被保护，所以铜不被腐蚀，故C正确；

D、该原电池放电时，外电路上电子从负极铁流向正极铜，故D错误；

【例五】

【答案】B

【解析】

根据图知abd装置是原电池，c装置是电解池；

a、装置中铁作负极，氯化钠溶液中，铁发生吸氧腐蚀，失电子变成离子进入溶液，促进铁腐蚀的速度

b、装置中铁作负极，硫酸溶液中铁很容易失电子变成离子进入溶液，促进铁腐蚀的速度最快；

c、装置中铁作电解池的阴极，在外加电源的作用下，发生电解反应，铁被保护腐蚀速度最慢；

d、装置铁作正极，锌易失电子而使铁受到保护，抑制铁腐蚀的速度腐蚀速率为b＞a＞d＞c；

【汕头一模】

【答案】D

【解析】

A、电镀时，镀层失电子发生氧化反应，作阳极，镀件上得电子发生还原反应，作阴极，故A错误；

B、氯碱工业是电解饱和的氯化钠溶液而不是熔融氯化钠，阳极上析出氯气，阴极上析出氢气，故B错误；

C、该装置是原电池，锌作负极，铜作正极，外电路上，电子从锌沿导线流向铜，盐桥中Cl-移向ZnSO4溶液，故C错误；

D、氢氧燃料酸性电池中，正极上氧化剂氧气得电子和氢离子反应生成水，故D正确；

【天河区一模】

【答案】A

【解析】

A、工业上常用惰性电极来电解熔融氧化铝的方法冶炼铝，故A错误

B、锌锰干电池中，锌电极是负极，发生氧化反应，故B正确；

C、锡青铜（铜锡合金）文物在潮湿环境中会形成原电池装置，金属锡做负极，腐蚀速率比干燥环境中快，故C正确；

D、铜锌原电池工作时，金属铜时正极，金属锌是负极，电子沿外电路从锌电极流向铜电极，故D正确．

【2008深圳二模】

【答案】A

【解析】

A、通电时，饱和食盐水中氢离子得电子在c极上析出，导致c极附近氢氧根离子的浓度增大，溶液的碱性增强，所以滴有酚酞的试液会变红，故A正确．

B、通电时，铜作阴极，铂作阳极，铜极上铜离子得电子析出铜单质导致铜极质量增大；铂极上氢氧根离子失电子生成氧气，所以铂极质量不变，故B错误．

C、通电时，铜作阴极，铂作阳极，铜极上铜离子得电子析出铜单质，铂极上氢氧根离子失电子生成氧气，导致溶液中氢离子的浓度增大，溶液的PH值变小，故C错误．

D、通电时，电解池中阴离子向阳极移动，阳离子向阴极移动，即溶液中硫酸根离子向铂极移动，故D错误．

【2011广东高考】

【答案】A

【解析】

A、a和b不连接时，铁片和硫酸铜溶液之间发生化学反应，铁能将

属铜从其盐中置换出来，所以铁片上会有金属铜析出，故A正确；

B、a和b用导线连接时，形成了原电池，铜作正极，发生的Cu2++2e-故B正确；

C、a和b不连接时，铁片和硫酸铜溶液之间发生化学反应，铁能将金属铜从其盐中置换出来，a和b用导线连接时，形成了原电池，加快了铁将金属铜从其盐中置换出来的速度，无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液从硫酸铜的蓝色逐渐变成硫酸亚铁的浅绿色，故C正确；

D、a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，依据电解原理，阳离子移向阴极，所以Cu2+向铁电极移动，故D错误．

故选D．

Ø课后练习

【答案】

（1）原电池（化学能转变为电能）；电解池（电能转变为化学能）

（2）负极；阳极 

（3）O2+2H2O+4e-=4OH-4Ag++4e-=4Ag 

（4）

（5）280

【解析】

（1）根据反应方程式知，甲装置是一个燃料电池，所以甲是把化学能转变为电能的装置，是原电池；乙有外加电源，所以是电解池．

故答案为：

原电池（化学能转变为电能）；电解池（电能转变为化学能）

（2）根据2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O知，CH3OH发生氧化反应，所以该电极是负极，O2 发生还原反应，所以该电极是正极；石墨与原电池的正极相连，所以石墨电极是阳极．

故答案为：

负极；阳极 

（3）根据2CH3OH+3O2+4KOH=2K2CO3+6H2O知，CH3OH发生氧化反应，所以该电极是负极，O2 得电子和水反应生成氢氧根离子，发生还原反应，所以该电极是正极；石墨与原电池的正极相连，所以石墨电极是阳极该电极上发生氧化反应；铁电极是阴极，该电极上银离子得电子发生还原反应．

故答案为：

O2+2H2O+4e-=4OH-4Ag++4e-=4Ag 

（4）乙池中离子放电顺序为：

阳离子 Ag+＞H+，阴离子OH-＞NO3 -，

故答案为：

（5）根据得失电子数相等，氧气与银的关系式为：

           O2--------4Ag         

           22.4L   （4×108 ）g

          280mL       5.40g

故答案为 280