第22讲 电解池金属腐蚀与防护.docx
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第22讲电解池金属腐蚀与防护
第3讲 电解池 金属腐蚀与防护
考纲要求
1.了解电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
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。
考点一 电解原理
1.电解、电解池
(1)电解:
电解质溶液
(2)电解池:
由电能转变为化学能的装置。
2.电解池的组成和工作原理(惰性电极电解CuCl2溶液)
总反应的离子方程式:
Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
【多维思考】
1.电解质溶液通电时,一定会发生化学反应吗?
为什么?
提示:
一定发生化学反应。
因为在电解池的阴极、阳极分别发生了还原反应和氧化反应,生成了新物质,所以一定有化学反应发生。
2.以铁片为电极电解ZnSO4溶液,电解过程可分为2个阶段,写出第一阶段的电极反应式。
提示:
阳极:
Fe-2e-===Fe2+
阴极:
Zn2++2e-===Zn
2.电极反应式的书写
(1)首先判断阴、阳极,分析电极材料,判断是电极材料放电还是溶液中的离子放电。
阳极为金属活性电极时,电极材料放电。
(2)再分析溶液中的离子种类,根据离子放电顺序,分析电极反应,并判断电极产物,写出电极反应式。
(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反应。
3.电解化学方程式的书写
(1)必须在长等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、电解NaOH溶液、电解Na2SO4溶液时,化学方程式可以写为:
2H2O
2H2↑+O2↑。
(4)电解质、水同时被电解,则都要写成反应物。
如电解饱和食盐水:
2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH。
4.以惰性电极电解电解质溶液的类型和规律
考向一 电解池工作原理
1.如图中两烧杯盛有相同电解质溶液,X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加。
b极板处有无色无味气体放出,符合这一情况的是( )
a电极
b电极
X电极
溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
正极
NaOH
C
银
铁
负极
AgNO3
D
石墨
铜
正极
NaNO3
解析:
由通电后a、b两极的现象知,X为负极,Y为正极,故B、D错误;b为阳极,A项中的阳极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O,C项中的阳极发生反应:
Fe-2e-===Fe2+,结合b极板处有无色无味气体放出,则A正确,C错误。
答案:
A
2.制备单质锰的实验装置如图,阳极以稀硫酸为电解液,阴极以硫酸锰和硫酸混合液为电解液,电解装置中箭头表示溶液中阴离子移动的方向。
下列说法不正确的是( )
A.M是电源的负极
B.左侧气孔逸出的气体可能为副产物H2
C.电解槽中发生的总反应为MnSO4+2H2O
MnO2+H2↑+H2SO4
D.右侧H2SO4的浓度增大
解析:
根据阴离子的移动方向,石墨为阳极,铂为阴极,即N为正极,M为负极,电极反应式:
铂电极为2Mn2++4e-===2Mn(副反应为2H++2e-===H2↑),石墨电极为4OH--4e-===O2↑+2H2O,总反应为2MnSO4+2H2O
2Mn+O2↑+2H2SO4,结合右侧有H+生成和SO
的进入,右侧H2SO4的浓度增大,故A、B、D正确。
答案:
C
【技法归纳】 电解池电极的判定方法
判断依据
阳极
阴极
电源标记
与电源正极相连
与电源负极相连
电极反应类型
氧化反应
还原反应
电子流动方向
电子输出一极
电子输入一极
离子移动方向
阴离子移向一极
阳离子移向一极
电极现象
(1)电极材料溶解一极;
(2)有无色、无味气体生成(OH-放电时);
(3)有刺激性气味气体生成(Cl-放电时)
(1)电极增重(金属阳离子放电时);
(2)有无色、无味气体生成(H+放电时)
考向二 电解规律的考查
3.用铂电极电解一定浓度的下列物质的水溶液,在电解后的电解液中加适量水,能使溶液浓度恢复到电解前浓度的是( )
A.NaCl B.Na2CO3
C.CuSO4D.K2S
解析:
加适量水能使溶液恢复到电解前的浓度,则实际是电解水,故只有B项符合条件。
答案:
B
4.用如图甲装置电解一定量的CuSO4溶液,M、N为惰性电极。
电解过程实验数据如图乙所示。
x轴表示电解过程中转移电子的物质的量,y轴表示电解过程中产生气体的总体积。
则下列说法不正确的是( )
A.电解过程中N电极表面先有红色物质生成,后有气泡产生
B.A点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态
C.Q点时M、N两电极上产生的气体在相同条件下体积相同
D.若M电极材料换成Cu作电极,则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
解析:
N为电解池的阴极,根据放电顺序,首先Cu2+得电子生成红色物质Cu,然后H+得电子生成H2,A正确;根据图乙,OP段阴极发生Cu2+得电子生成Cu的反应,P点后阴极H+放电生成H2,阳极反应一直是OH-失电子生成O2,所以P点以后相当于电解水,A点只加入CuO固体不能恢复到起始状态,B错误;由图乙可以看出,OP段电路通过amol电子,阳极生成氧气体积为bL,PQ段又通过amol电子,阳极生成氧气体积为bL,则到Q点时,阳极共生成氧气2bL,生成氢气为(4b-2b)L=2bL,C正确;若M电极材料换成Cu作电极,阳极上则是Cu失电子,阴极上Cu2+得电子,所以电解过程中CuSO4溶液的浓度不变,D正确。
答案:
B
考向三 电极、电池反应式的书写
5.(2018·杭州一中摸底)用惰性电极电解物质的量浓度为1∶3的CuSO4和NaCl的混合溶液,可能发生的反应有( )
①2Cu2++2H2O
2Cu+4H++O2↑
②Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
③2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
④2H2O
2H2↑+O2↑
A.①②③B.①②④
C.②③④D.②④
解析:
由放电顺序Cl->OH->SO
,Cu2+>H+>Na+知,开始是Cl-和Cu2+分别在两极放电,此时相当于电解CuCl2溶液,故②正确,①错误;由n(Cu2+)∶n(Cl-)=1∶3,当Cu2+全部放电,溶液中还有Cl-,此时若继续电解,则是电解NaCl溶液,故③正确;当Cl-全部放电后再继续电解,则是电解Na2SO4和NaOH的混合溶液,其实质是电解水,故④正确。
答案:
C
6.Na2FeO4是一种既能杀菌、消毒,又能絮凝净水的水处理剂,其电解制法如图所示,请根据图示分析:
Fe电极的电极反应为________________________,与铁电极相连的为电源的________极。
解析:
首先分析化合价F
―→Na2
O4,铁作阳极Fe-6e-―→FeO
,依据电解质溶液显碱性,可知用OH-配平电荷,Fe-6e-+8OH―→FeO
,用水配平H,Fe-6e-+8OH-===FeO
+4H2O,最后用O检查是否配平。
答案:
Fe-6e-+8OH-===FeO
+4H2O 正
【技法归纳】 电解池中方程式书写的3个关键点
(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)电极反应的书写首先根据题干要求及信息大胆写出反应物和生成物,然后根据“阴得阳失”加上得失电子数目,最后根据电解质溶液酸碱性补上H+、OH-或H2O,依据电荷守恒配平。
(3)要确保两极得失电子数目相等,且注明条件“电解”。
考点二 电解原理的应用
2.电解精炼铜
3.电镀铜
4.电解冶炼钠
【感悟测评】
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)用铜作阳极、石墨作阴极电解CuCl2溶液时,阳极电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。
( )
(2)电解MgCl2溶液所发生反应的离子方程式为:
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
( )
(3)氯碱工业用阳离子交换膜把阴极室和阳极室分开。
( )
(4)Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑可以设计成电解池,但不能设计成原电池。
( )
(5)粗铜电解精炼时,若电路中通过2mole-,阳极减少64g。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)√ (4)√ (5)×
电解池中有关量的计算或判断
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。
有如下解题方法:
考向一 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直流电源应用。
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)。
(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)。
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__________________________________。
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+来源于水的电离,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↑。
答案:
(1)0.1mol·L-1
(2)B
(3)Fe Fe+2H2O
Fe(OH)2↓+H2↑
考向二 电解原理的“不寻常”应用
3.(2016·高考全国卷Ⅰ)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:
A项正极区发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,由于生成H+,正极区溶液中阳离子增多,故中间隔室的SO
向正极迁移,正极区溶液的pH减小。
B项负极区发生的反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,阴离子增多,中间隔室的Na+向负极迁移,故负极区产生NaOH,正极区产生H2SO4。
C项由B项分析可知,负极区产生OH-,负极区溶液的pH升高。
D项正极区发生的反应为2H2O-4e-===O2↑+4H+,当电路中通过1mol电子的电量时,生成0.25molO2。
答案:
B
4.甲图为一种新型污水处理装置,该装置可利用一种微生物将有机废水的化学能直接转化为电能。
乙图是一种家用环保型消毒液发生器,用惰性电极电解饱和食盐水。
下列说法中不正确的是( )
A.装置乙的a极要与装置甲的X极连接
B.装置乙中b极的电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑
C.若有机废水中主要含有葡萄糖,则装置甲中M极发生的电极反应为C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2↑+24H+
D.N电极发生还原反应,当N电极消耗5.6L(标况下)气体时,则有2NA个H+通过离子交换膜
解析:
由图甲分析得出M(或X)为负极,N(或Y)为正极,由图乙分析得出a为阴极,b为阳极。
乙的a极要与甲的X极相连接,A项正确;乙的b极为阳极,氯离子放电,B项正确;因图甲中传递的是质子,葡萄糖在M极放电,故电极反应式为C6H12O6+6H2O-24e-===6CO2↑+24H+,C项正确;氧气在N电极得到电子,电极反应式为O2+4H++4e-===2H2O,故消耗5.6L氧气时,转移1mol电子,即有NA个H+通过离子交换膜,D项错误。
答案:
D
5.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6H++6e-===3H2↑或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↑。
答案:
(1)阳极 CO(NH2)2+8OH--6e-===N2↑+CO
+6H2O
(2)阴极 6H++6e-===3H2↑或6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
【速记卡片】
阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO,影响烧碱质量。
考点三 与电化学有关的定量计算
1.计算类型
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等。
2.三种方法
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中通过的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒关系建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
【感悟测评】
1.两个惰性电极插入500mLAgNO3溶液中,通电电解。
当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解过程中阴极没有H2放出,且电解液在电解前后体积变化可以忽略不计),电极上析出银的质量最大为( )
A.27mg B.54mg
C.106mgD.216mg
答案:
B
2.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1.12L(标准状况下)
答案:
B
电化学计算常用的一个关系式
串联电路中各电极上转移的电子数目相同,根据电子守恒,电化学中常用的计算关系为4e-~4OH-~2H2~2Cu~4Ag~4H+~O2~2Cl2~2Cu2+~4Ag+。
考向 多池串联的计算
1.如图所示,
通电一段时间后,Cu电极增重2.16g,同时在A池中收集到标准状况下的气体224mL,设A池中原混合溶液的体积为100mL,则通电前A池原混合溶液中Cu2+的浓度为( )
A.0.05mol/L B.0.035mol/L
C.0.025mol/LD.0.020mol/L
解析:
铜电极质量增加:
Ag++e-===Ag,由n(Ag)=
=0.02mol可知,转移电子0.02mol。
由4e-~O2知A池阳极产生O2为0.02mol×
×22.4L/mol=0.112L=112mL;故阴极还产生112mL氢气:
2H++2e-===H2↑,此过程中转移电子为0.01mol,则铜离子放电转移电子0.01mol,Cu2++2e-===Cu,可知n(Cu2+)=0.005mol,则A池原混合溶液中Cu2+的浓度为0.05mol/L。
答案:
A
2.(2018·石家庄一模)某小组用如图装置进行实验,下列说法正确的是( )
A.盐桥中的电解质可以用KCl
B.闭合K,外电路电流方向为Fe电极→石墨电极
C.闭合K,石墨电极上只生成铜
D.导线中流过0.15mole-时,加入5.55gCu2(OH)2CO3,CuSO4溶液可恢复原组成
解析:
由于KCl能和AgNO3反应产生沉淀,因此盐桥中的电解质不能用KCl,故A错误;闭合K,铁比银活泼为负极,与铁相连的石墨为阴极,所以外电路电流方向为石墨电极→Fe电极,故B错误;闭合K,与铁相连的石墨为阴极,发生还原反应首先Cu2++2e-===Cu,析出Cu,后发生2H++2e-===H2↑,放出氢气,故C错误;由n(Cu2+)=0.05mol,并结合Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,当流过0.15mole-时,有(0.15-0.05×2)mol×
=0.025molH2放出,即有0.025molH2O被电解,故应加入0.025molCu2(OH)2CO3可复原,故D正确。
答案:
D
考点四 金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
2.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与干燥气体或非电解质直接接触
不纯金属或合金与电解质溶液接触,形成原电池
特点
无电流产生
有微弱电流产生
本质
金属失电子变成金属阳离子而被氧化(M-ne-===Mn+)
金属被氧化的过程
较活泼的金属被氧化的过程
相互关系
两种腐蚀往往同时发生,但电化学腐蚀更普遍,危害更严重
3.电化学腐蚀的分类(钢铁腐蚀)
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
水膜性质
水膜酸性较强
水膜呈弱酸性或中性或碱性
负极反应
Fe-2e-===Fe2+
正极反应
2H++2e-===H2↑
2H2O+O2+4e-===4OH-
总反应
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2、
4Fe(OH)2+O2+2H2O
===4Fe(OH)3、
2Fe(OH)3===
Fe2O3·xH2O+(3-x)H2O
联系
吸氧腐蚀更普遍
4.金属腐蚀的防护方法
(1)电化学防护法
①牺牲阳极的阴极保护法:
如在被保护的钢铁设备上装上若干较活泼金属(如Zn),让被保护的金属作原电池的正极。
②外加电流的阴极保护法:
如用被保护的钢铁设备作阴极,外接直流电源负极。
(2)其他方法
①改变金属内部结构,如把金属制成防腐的合金(如不锈钢)。
②加涂防护层,如喷油漆、涂油脂、电镀[电镀耐腐蚀的金属(Zn、Sn、Ni、Cr等)]、喷镀或表面钝化等方法。
【感悟测评】
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。
( )
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。
( )
(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。
( )
(4)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)×
金属腐蚀快慢的六个规律
(1)在同一电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的一般顺序:
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。
(2)同一种金属在同浓度的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。
(3)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。
(4)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)。
(5)纯度越高的金属,腐蚀的速率越慢。
考向一 金属腐蚀快慢与防护方法的比较
1.(2018·河北石家庄二模)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,Cu-Zn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,Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
解析:
图a中,靠近底端的部分氧气的浓度小于液面,故铁棒底部腐蚀程度较轻,A项错误;图c中接通开关时Zn作负极,腐蚀速率增大,但氢气在Pt上放出,C项错误;图d中干电池的自放电主要是由NH4Cl产生H+,Zn在酸性条件下被腐蚀主要由Zn的还原作用引起的,D项错误。
答案:
B
2.(2018·宁波模拟)如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④②①③⑥
C.⑤④③①②⑥D.⑤③②④①⑥
解析:
在同一电解质溶液中,金属腐蚀的快慢规律如下:
电解池的阳极>原电池的负极(两极材料的活泼性差别越大,氧化还原反应的速率越快)>化学腐蚀>牺牲阳极的阴极保护法>外加电流的阴极保护法。
答案:
B
【题后悟道】 电化学腐蚀快慢的规律