高中化学选修四电解池 金属的锈蚀与防护.docx

1、高中化学选修四电解池 金属的锈蚀与防护电解池、金属的锈蚀与防护【知识精讲 深化思维】要点一：电解池及其工作原理1、定义：把电能转化为化学能的装置。2、构成条件（1）有与直流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、电极及电子的移动方向（1）电极阴极：与电源负极相连，得到电子，发生还原反应。阳极：与电源正极相连，失去电子，发生氧化反应。（3）移动方向电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流出，流向电源的正极。离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。4.电解池的阴阳极判断（1）阳极的判断（2）阴极的判断例题1、用惰性电极电解2L、1mo

2、l/L的CuSO4溶液，在电路中通过0.5mol电子后，调换正、负极，电路中又通过了1mol电子，此时溶液中H+的浓度（假设溶液体积不变）是（）A1.5mol/L B0.75mol/L C0.5mol/L D0.25mol/L解：调换正负极前后电极反应式如下：调换前：阳极：4OH4e=2H2O+O2；阴极：2Cu2+4e=2Cu，用惰性电极电解2L1mol/L的CuSO4溶液，分别是 Cu2+和OH放电，通过0.5mole，那么0.25molCu2+放电，生成0.25molCu，同时 4OH4e=2H2O+O2，反应0.5molOH，得到0.5molH+，调换后：阳极：2Cu4e=2Cu2+（

3、先），4OH4e=2H2O+O2（后）；阴极：2Cu2+4e=2Cu，调换正负极，那么通电前的0.5mole，恰好是电镀铜的过程，也就是第一个过程的Cu又溶解，在另一电极变为Cu，消耗0.5mole，剩余0.5mole，还是得到相同的0.5molH+，故电路中转移的1.5mol电子中，只有1mol由OH放电产生，所以总共得到1molH+，浓度为0.5mol/L故选C变式训练1、用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

4、泡产生BA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CQ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做电极，则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变要点二：电解产物的判断及电极反应方程式的书写1、阳极产物的判断（1）如果是活性电极(除Au、Pt、石墨以外的金属材料作电极)，电极材料失电子，生成金属阳离子。（2）如果是惰性电极(Pt、Au、石墨)，要依据阴离子放电顺序加以判断。阴离子的放电顺序：S2- I- Br- Cl- OH- 含氧酸根离子 F-。S2-、I-、Br-、Cl-放电，产物是S、I2、Br2、Cl2；若OH-放电，则得H2O和O2。2、阴极产物的

5、判断直接根据阳离子放电顺序进行判断。阳离子放电顺序：Ag+ Fe3+ Cu2+ H+(酸) Fe2+ Zn2+ H+ (水) Al3+ Mg2+ Na+ Ca2+ K+。注：若金属阳离子（Fe3+除外）放电则得相应金属单质，若H+放电，则得到H2。3、惰性电极常见7种电解质溶液的电解规律电解质（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溶液浓度溶液pH电解质溶液复原无氧酸除HF外阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2H2e=H2酸电解2HCl=Cl2H2电解减小增大通入HCl气体含氧酸阳极：4OH4e=O22H2O阴极：4H4e=2H2水2H2O=O22H2增大减小加H2O强碱阳极

6、：4OH4e=O22H2O阴极：4H4e=2H2水电解2H2O=O22H2增大增大加H2O活泼金属的含氧酸盐（如KNO3、）阳极：4OH4e=O22H2O阴极：4H4e=2H2水电解2H2O=O22H2增大不变加水不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)阳极：4OH4e=O22H2O阴极：2Cu24e=2Cu水和盐电解2Cu22H2O=2CuO24H生成新电解质减小加CuO或CuCO3活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2H2e=H2水和盐电解2Cl2H2O=Cl2H22OH生成新的电解质增大通入HCl气体不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2)，除氟化物外阳极：2Cl2e=

7、Cl2阴极：Cu22e=Cu盐电解CuCl2=CuCl2减小加CuO或CuCO34、电极反应式的书写掌握两种常用书写方法（1）根据装置书写根据电源确定阴、阳两极确定阳极是否是活性金属电极据电极类型及电解质溶液中阴、阳离子的放电顺序写出电极反应式。在确保阴、阳两极转移电子数目相同的条件下，将两极电极反应式合并即得总反应式。（2）由氧化还原反应方程式书写电极反应式找出发生氧化反应和还原反应的物质两极名称和反应物利用得失电子守恒分别写出两极反应式。若写出一极反应式，而另一极反应式不好写，可用总反应式减去已写出的电极反应式即得另一电极反应式。（3）注意三个易失分点书写电解池中电极反应式时，要以实际放电

8、的离子表示，但书写电解池总反应式时，弱电解质要写成分子式。要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。电解水溶液时，应注意放电顺序，H、OH之后的离子一般不参与放电。例题2-1、全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：16Li+xS8=8Li2Sx（2x8）下列说法错误的是（）A电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4B电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 gC石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性D电池充电时间越长，电池中的Li2S2量越多解：A据分析可知正极可发生反应：

9、2Li2S6+2Li+2e=3Li2S4，故A正确；B负极反应为：Lie=Li+，当外电路流过0.02mol电子时，消耗的锂为0.02mol，负极减重的质量为0.02mol7g/mol=0.14g，故B正确；C硫作为不导电的物质，导电性非常差，而石墨烯的特性是室温下导电最好的材料，则石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性，故C正确；D充电时a为阳极，与放电时的电极反应相反，则充电时间越长，电池中的Li2S2量就会越少，故D错误；故选D例题2-2、银锌电池是一种常见化学电源，其原理反应：Zn+Ag2O+H2OZn（OH）2+2Ag，其工作示意图如图下列说法不正确的是（）AZn电极是负极BAg2O电

10、极上发生还原反应CZn电极的电极反应式：Zn2e+2OHZn（OH）2D放电前后电解质溶液的pH保持不变解：A、活泼金属Zn为负极，故A正确；B、正极反应为Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH，发生还原反应，故B正确；C、负极反应为Zn+2OH2e=Zn（OH）2，故C正确；D、氢氧根离子物质的量虽然不变，但水的量减少，KOH的浓度增大，pH增大，故D错误；故选D变式训练2-1、高铁电池是一种可逆电池，该电池能长时间保持稳定的放电电压高铁电池总反应为3Zn+2K2Fe04+8H203Zn（OH）2+2Fe（OH）3+4KOH下列判断不正确的是（）A放电时，负极反应为2Zn2e+20H一Zn（

11、OH）2B充电时，阴极pH增大C放电时，若有6mol电子转移，则正极有10 mol OH一移向负极D充电时，阳极反应为Fe（OH）3+50H一+3e一=Fe042+4H20变式训练2-2、（多选）镁及其化合物一般无毒（或低毒）、无污染，且镁原电池放电时电压高而平稳，使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的关注焦点其中一种镁原电池的反应为：xMg+Mo3S4 MgxMo3S4，下列说法错误的是（）A放电时，负极反应为Mg2eMg2+B放电时，Mo3S4发生氧化反应C放电过程中Mg2+向正极迁移D充电时，阳极反应为MgxMo3S42xeMo3S4+xMg2+变式训练2-3用惰性电极电解2L0.5m

12、ol/L的硝酸银溶液，当在电路中通过0.1mol电子后，调换正负极，电路中又通过了0.2mol电子，此时溶液pH值为（假设溶液体积不变）是（）A1 B2 C3 D无法确定要点三：电解原理的应用氯碱工业（电解饱和食盐水）电极反应： 阳极（惰性电极）： ； 阴极（任意电极）： 。 总反应： 。（1）电解精炼铜电极材料：阳极为粗铜，阴极为纯铜。电解质溶液：含Cu2的盐溶液。两极反应： 阳极（含Fe、Zn、Ag等杂质）： 、 、 。（主要反应） 阴极（纯净的铜单质）： 。阳极泥的形成 在电解过程中，活动性位于铜之后的银、金等杂质，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

13、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。电解精炼必备条件a两极材料：含杂质的金属作阳极，纯金属作阴极。b电解质溶液的选取：含有相应金属离子的盐溶液。（2）电镀铜原理：电镀是一种特殊的电解，用含镀层金属离子的电解质溶液作电镀液，用待镀的金属制品作阴极，镀层金属作阳极。特点：一增(阴极)，一减(阳极)，一不变(电镀液的浓度)，且阴极与阳极质量变化相同。以铁件镀铜为例：a.两极材料：阳极： ；（镀件）阴极： 。（镀层金属）b.电镀液：含有Cu2+的电解质溶液。c.电极反应阳极： ；阴极： 。（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。 冶炼钠（熔融的氯

14、化钠） 冶炼铝（熔融的氧化铝）【小试牛刀】判断正误，正确的画“”，错误的画“”。（1）用铜作阳极，石墨做阴极电解CuCl2溶液时，阳极电极反应方程式为：2Cl-2e- = Cl2。（ ）（2）电解MgCl2溶液所发生的反应的离子方程式为2Cl- + 2 H2O 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，但不可以设计成原电池。（ ）（5）粗铜电解精炼时，若电路中通过2mole-，则阳极减少64g。（ ）答案： (1)(2)(3)(4)(5)例题3-1、 电解硫酸钠溶液联合生产硫

15、酸和烧碱溶液的装置如图所示，其中阴极和阳极均为惰性电极测得同温同压下，气体甲与气体乙的体积比约为1：2，以下说法正确的是（）Aa极与电源的负极相连B产物丙为硫酸溶液C离子交换膜d为阴离子交换膜Da电极反应式：2H2O+2e=H2+2OH解：装置图分析可知是电解装置，电极硫酸钠溶液，实质是电解水，气体甲与气体乙的体积比约为1：2，气体甲为氧气，气体乙为氢气，阳极生成氧气，电极反应4OH4e=2H2O+O2，阴极生成氢气，电极反应式为2H+2e=H2，由此判断a电极是阳极，b电极是阴极，在阳极室得到硫酸，在阴极室得到氢氧化钠，则c为阴离子交换膜，d为阳离子交换膜，Aa是阳极，与电源正极相连，故A错

16、误；B通过以上分析知，丙是硫酸，故B正确；C通过以上分析知，c是阴离子交换膜、d为阳离子交换膜，故C错误；D根据2H+2e=H2知，每转移0.1mol e则产生标况下1.12L气体乙，故D错误；故选B例题3-2、离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系由有机阳离子、Al2Cl7和AlCl4组成的离子液体做电解液时，可在钢制品上电镀铝（1）钢制品应接电源的 极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为 ，若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极产物为 （2）为测定镀层厚度，用NaOH溶液溶解钢制品表面的铝镀层，当反应转移6mol电子时，所得还原产物的物质的量为 mol（

17、3）用铝粉和Fe2O3做铝热反应实验，需要的试剂还有 a、KCl b、KClO3 c、MnO2 d、Mg取少量铝热反应所得的固体混合物，将其溶于足量稀H2SO4，滴加KSCN溶液无明显现象， （填“能”或“不能”）说明固体混合物中无Fe2O3，理由是 （用离子方程式说明）解：（1）依据电镀原理分析，钢铁上镀铝是利用铝做阳极与电源正极相连，钢铁做阴极与电源负极相连，由有机阳离子、Al2Cl7和AlCl4组成的离子液体做电解液来实现，离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系，电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，则阴极反应生成铝是发生的还原反应，铝元素化合价降低，分析离子液体成分，结合电

18、荷守恒分析可知是Al2Cl7得到电子生成，电极反应为：4Al2Cl7+3e=Al+7AlCl4；改用AlCl3水溶液作电解液是溶液中氢离子在阴极放电生成氢气，2H+2e=H2；故答案为：负；4Al2Cl7+3e=Al+7AlCl4；H2 ；（2）依据铝和氢氧化钠反应的化学方程式分析，2Al+2NaOH+6H2O=2NaAlO2+3H2+4H2O，还原产物为氢气，当反应转移6mol电子时，所得还原产物的物质的量为3mol；故答案为：3；（3）铝热反应需要引发剂引发高温反应，用少量氯酸钾和镁条引发，点燃镁条燃烧放热使氯酸钾分解生成氧气助燃产生反应引发所需要的温度；铝热反应所得的固体混合物，将其溶于

19、足量H2SO4，滴加KSCN溶液无明显现象，说明无铁离子，但不能说明固体中不含氧化铁，因为铝热反应生成铁，溶解于硫酸中铁可以还原铁离子为亚铁离子，离子方程式为：Fe2O3+6H+=2Fe3+3H2O，Fe+2Fe3+=3Fe2+；故答案为：bd；不能；Fe2O3+6H+=2Fe3+3H2O； Fe+2Fe3+=3Fe2+变式训练3-1、金属镍有广泛的用途粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制备高纯度的镍，下列叙述正确的是（已知：氧化性Fe2+Ni2+Cu2+）（）A阳极发生还原反应，其电极反应式：Ni2+2eNiB电解过程中，阳极质量的减少与阴极质量的增加相等C电解后，溶液中

20、存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+D电解后，电解槽底部的阳极泥中只有Cu和Pt变式训练3-2、某工厂采用电解法处理含铬废水，耐酸电解槽用铁板作阴、阳极，槽中盛放含铬废水，原理示意图如图，下列说法不正确的是（）AA为电源正极B阳极区溶液中发生的氧化还原反应为：Cr2O72+6Fe2+14H+2Cr3+6Fe3+7H2OC阴极区附近溶液pH降低D若不考虑气体的溶解，当收集到H213.44 L（标准状况）时，有0.1 mol Cr2O72被还原变式训练3-3、关于下列四个装置图的说法，正确的是（）A装置中阴极处产生的气体能够使湿润的淀粉KI试纸变蓝B装置不能完成在铁制品上镀铜C装置中电子由b极流

21、向a极D装置中的离子交换膜可以避免生成的Cl2与NaOH溶液反应要点四：金属的锈蚀与防护1. 金属腐蚀的本质金属原子 电子变为 ，金属发生氧化反应。2. 化学腐蚀与电化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀条件金属与接触到的物质直接反应不纯金属接触到电解质溶液发生原电池反应本质Mne=MnMne=M n现象金属被腐蚀较活泼金属被腐蚀区别无电流产生有微弱电流产生联系普遍性：Mne=Mn，电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，腐蚀速率更快，危害也更严重3. 电化学分类：析氢腐蚀和吸氧腐蚀吸氧腐蚀析氢腐蚀条件水膜酸性很弱或呈中性水膜酸性较强负极反应Fe2e=Fe2正极反应O22H2O4e=4OH2H2e=H2总反应2Fe

22、O22H2O=2Fe(OH)24Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3Fe2H=Fe2H24. 金属腐蚀快慢的比较（1）对同一电解质溶液：电解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。（2）在原电池中，电解质相同时，两极的活动性差别越大，负极金属越易被腐蚀。（3）对由同一正、负极构成的原电池(如FeCu原电池)：电解质的氧化能力越强，负极金属越易被腐蚀。电解质中起氧化作用的离子相同时，该离子浓度越大，负极金属腐蚀越快。溶液的导电能力越强，负极金属越易被腐蚀5. 金属腐蚀的防护方法(1)电化学防护法牺牲阳极阴极保护法原电池原理：如在被保护的钢铁设备上装上若干较活泼金属(如Zn

23、)，让被保护的金属作原电池的正极。外加电流的阴极保护法电解原理：如用被保护的钢铁设备作阴极，外接直流电源。(2)其他方法改变金属内部结构，如把金属制成防腐的合金(如不锈钢)。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。【小试牛刀】判断正误，正确的画“”，错误的画“”。(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)

24、(4)例题4-1、锂离子电池的应用很广，其正极材料可再生利用某锂离子电池正极材料有钴酸锂（LiCoO2）、导电剂乙炔黑和铝箔等充电时，该锂离子电池阴极发生的反应为6C+xLi+xeLixC6现欲利用以下工艺流程回收正极材料中的某些金属资源（部分条件未给出）回答下列问题：（1）LiCoO2中，Co元素的化合价为 （2）写出“正极碱浸”中发生反应的离子方程式 （3）“酸浸”一般在80下进行，写出该步骤中发生的所有氧化还原反应的化学方程式 ；可用盐酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺点是 （4）写出“沉钴”过程中发生反应的化学方程式 （5）充放电过程中，发生LiCoO2与Li1xCoO2之间的转

25、化，写出放电时电池反应方程式 （6）上述工艺中，“放电处理”有利于锂在正极的回收，其原因是 在整个回收工艺中，可回收到的金属化合物有 （填化学式）解：（1）根据化合物中，化合价的代数和为0知，LiCoO2中，Co元素的化合价为+3价，故答案为：+3；（2）正极中含有铝，铝易溶于强碱溶液生成AlO2，反应的离子方程式为2Al+2OH+2H2O=2AlO2+3H2，故答案为：2Al+2OH+2H2O=2AlO2+3H2；（3）酸浸时反应物有硫酸、过氧化氢以及LiCoO2，生成物有Li2SO4和CoSO4，反应方程式为：2LiCoO2+H2O2+3H2SO4Li2SO4+2CoSO4+O2+4H2O

26、，由题中信息知LiCoO2具有强氧化性，加入盐酸有污染性气体氯气生成，且引入氯离子杂质，在后续步骤中难以分离，故答案为：2LiCoO2+H2O2+3H2SO4Li2SO4+2CoSO4+O2+4H2O；有氯气生成，污染较大，引入氯离子杂质，在后续步骤中难以分离；（4）“沉钴”过程中硫酸钴和碳酸氢铵反应生成碳酸钴沉淀、硫酸铵、二氧化碳和水，反应方程式为CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3+（NH4）2SO4+CO2+H2O，故答案为：CoSO4+2NH4HCO3=CoCO3+（NH4）2SO4+CO2+H2O；（5）充放电过程中，Li1xCoO2和LixC6发生氧化还原反应生成LiCoO2和

27、C，反应方程式为：Li1xCoO2+LixC6=LiCoO2+6C，故答案为：Li1xCoO2+LixC6=LiCoO2+6C；（6）放电时，负极上生成锂离子，锂离子向正极移动并进入正极材料中，所以“放电处理”有利于锂在正极的回收，根据流程图知，可回收到的金属化合物有Al（OH）3、CoCO3、Li2SO4，故答案为：Li+从负极中脱出，经由电解质向正极移动并进入正极材料中；Al（OH）3、CoCO3、Li2SO4例题8、如图所示，各烧杯中盛有海水，铁（含杂质C）在其中被腐蚀由快到慢的顺序为（）A B C D解：根据图知，装置是原电池，在中，金属铁做负极，中金属铁作正极，做负极的腐蚀速率快，并

28、且两个电极金属活泼性相差越大，负极金属腐蚀速率越快，正极被保护，并且原电池原理引起的腐蚀化学腐蚀，所以，装置是电解池，中金属铁为阳极，中金属铁为阴极，阳极金属被腐蚀速率快，阴极被保护，即，根据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腐蚀措施的腐蚀，并且原电池的正极金属腐蚀速率快于电解池的阴极金属腐蚀速率，即故选A变式训练1、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，CuZn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，ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的2、将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆周中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿棕色铁锈环（b），如图所示导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘少下列说法正确的是（）A液滴中的Cl由a区向b区迁移B液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：O2+2H2O+4e4OHC液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2+由a区向b区迁移，与b区的OH形成Fe（OH）2，进一步氧化、脱水形成铁锈D若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液