2022年高考化学一轮复习 专题7.3 电解池 金属的电化学腐蚀与防护讲案（含解析）

2022年高考化学一轮复习 专题7.3 电解池 金属的电化学腐蚀与防护讲案（含解析）复习目标：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。基础知识回顾：一、电解池原理1、定义使电流通过 电解质溶液 而在阴阳两极上引起 氧化还原反应的过程。2、电解池把 电能转化为化学能 的装置(电解槽)。3、装置特点借助于电流引起氧化还原反应的装置。4、电解池的形成条件（1）与电源相连的两个电极：阳极连电源的 正 极；阴极连电源的 负 极。（2）电解质溶液(或 熔融 的电解质)。（3）形成 闭合的回路。5、电极反应：阳极上发生 失 电子的氧化反应，阴极上发生 得 电子的还原反应。电子的流向从电源的 负 极到电解池的 阴 极，再从电解池的 阳 极到电源的 正 极。电解池和原电池比较电解池原电池定义将电能转变为化学能的装置将化学能转变为电能的装置装置举例形成条件两个电极与直流电源相连电解质溶液形成闭合回路活泼性不同的两电极(连接)电解质溶液形成闭合回路能自发进行氧化还原反应电极名称阳极：与电源正极相连的极阴极：与电源负极相连的极负极：较活泼金属(电子流出的极)正极：较不活泼金属(或能导电的非金属)(电子流入的极)电极反应阳极：溶液中的阴离子失电子，或电极金属失电子，发生氧化反应阴极：溶液中的阳离子得电子，发生还原反应负极：较活泼电极金属或阴离子失电子，发生氧化反应正极：溶液中的阳离子或氧气得电子，发生还原反应溶液中的离子移向阴离子移向阳极，阳离子移向阴极阴离子移向负极，阳离子移向正极电子流向阳极正极负极阴极负极正极实质均发生氧化还原反应，两电极得失电子数相等联系原电池可以作为电解池的电源，二者共同形成闭合回路6、电解产物的判断（1）阳极产物的判断首先看电极，若是活性电极(一般是除Au、Pt外的金属)，则电极材料本身失电子，电极被溶解形成阳离子进入溶液；若是惰性电极(如石墨、铂、金等)，则根据溶液中阴离子放电顺序加以判断。阳极放电顺序：金属(一般是除Au、Pt外)S2IBrClOH含氧酸根F。（2）阴极产物的判断直接根据溶液中阳离子放电顺序加以判断。阳离子放电顺序：AgHg2Fe3Cu2HPb2Sn2Fe2Zn2HAl3Mg2NaCa2K。【提示】（1）处理有关电解池两极产物的问题，一定要先看电极是活性电极还是惰性电极。活性电极在阳极放电，电极溶解生成相应的金属离子，此时阴离子在阳极不放电。对于惰性电极，则只需比较溶液中定向移动到两极的阴阳离子的放电顺序即可。（2）根据阳离子放电顺序判断阴极产物时，要注意下列三点：阳离子放电顺序表中前一个c(H)与其他离子的浓度相近，后一个c(H)很小，来自水的电离；Fe3得电子能力大于Cu2，但第一阶段只能被还原到Fe2；Pb2、Sn2、Fe2、Zn2控制一定条件(即电镀)时也能在水溶液中放电；Al3、Mg2、Na、Ca2、K只有在熔融状态下放电。【典型例题1】【广东省珠海一中等六校xx届高三第三次联考】下列有关用惰性电极电解AgNO3溶液的说法不正确的是：A电解过程中阴极质量不断增大B电解过程中阳极附近的pH不断降低C电解一段时间后，向溶液中加入适量的Ag2O固体可使溶液恢复到电解前的状况D电解过程中，溶液中电子由阴极迁向阳极【迁移训练1】【广东省深圳中学xx年高考化学预测试题（二）】下列各装置中，在铜电极上不能产生气泡的是二电解的应用1、电解饱和食盐水制取氯气和烧碱(氯碱工业)（1）氯碱工业的主要原料是食盐，由于粗盐中含有泥沙、Ca2、Mg2、SO42等杂质离子，对生产设备造成损坏，影响产品的质量，故必须进行精制。化学方法a：依次加入沉淀剂BaCl2、Na2CO3、NaOH溶液，每次所加试剂都必须稍稍过量以便使相应离子完全沉淀。b过滤。c滤液中加盐酸：调节溶液pH值为46，CO322H=CO2H2O。离子交换法：对于上述处理后的溶液，需送入离子交换塔，进一步通过阳离子(Na)交换树脂除去残存的Ca2、Mg2，以达到技术要求。（2）精制的饱和食盐水中存在着Na+、Cl-、H+、OH-四种离子，用石墨作电极，通电时H+ 和Cl-优先放电，电极反应式为阳极：2Cl2e=Cl2，阴极：2H2e=H2 总反应：2NaCl2H2O = 2NaOHH2Cl2。2、电镀（1）概念：电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他 金属 或 合金 的过程。（2）形成条件：电解时，镀层金属作 阳极；镀件作 阴极；含 镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；用 直流电源。（3）特征：阳极本身 放电被氧化 ；宏观上看无新物质生成；电解液的总量、浓度、pH均不变。3、电冶炼电解熔融电解质，可炼得活泼金属。如：电解熔融NaCl时，电极反应式为：阳极：2Cl2e=Cl2 ，阴极：2Na2e=2Na ，总反应式为：2NaCl = 2NaCl2 。4、电解精炼电解精炼粗铜时，阳极材料是粗铜，阴极材料是精铜，电解质溶液是CuSO4溶液(或 Cu(NO3)2溶液)。长时间电解后，电解质溶液必须补充。【典型例题2】下列有关电化学装置完全正确的是()ABCD铜的精炼铁上镀银防止Fe被腐蚀构成铜锌原电池【迁移训练2】【xx届高三七校5月联考理综化学试题】右图是模拟电化学反应装置图。下列说法中错误的是A若X为碳棒，开关K置于N处，可以减缓铁的腐蚀 B若X为锌，开关K置于N处，则X极附近溶液的颜色会变黄色 C若X为碳棒，开关K置于M处，则X电极的电极反应式为：O24e2H2O4OHD若X为锌，开关K置于M处，保护铁电极，则为牺牲阳极的阴极保护法三、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、金属腐蚀的类型（1）化学腐蚀与电化学腐蚀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以钢铁的腐蚀为例进行分析：类型析氢腐蚀吸氧腐蚀条件水膜酸性较强(pH4.3)水膜酸性很弱或呈中性电极反应负极Fe2e=Fe2正极2H2e=H2O22H2O4e=4OH总反应式Fe2H=Fe2H22FeO22H2O=2Fe(OH)2联系吸氧腐蚀更普遍铁锈的形成：4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3，2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(铁锈)(3x)H2O。3、金属的防护（1）电化学防护牺牲阳极的阴极保护法原电池原理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。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。【典型例题3】如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH4久置的雨水和生铁片。实验时观察到：开始时导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管内液面。下列说法正确的是()A生铁片中的碳是原电池的阳极，发生还原反应B雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀C墨水回升时，碳电极反应式为O22H2O4e=4OHD具支试管中溶液pH逐渐减小【迁移训练3】【甘肃省武威市第六中学xx届高三上学期第五次月考】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，Zn-MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的考点详析：考点一：电解电极反应方程式的书写1、电解方程式的书写步骤以写出用石墨作电极电解CuSO4溶液的电极反应式及总的电解方程式为例。第一步：明确溶液中存在哪些离子。阳离子：Cu2、H；阴离子：OH、SO。第二步：判断阴阳两极附近离子种类及离子放电顺序。阴极：Cu2H；阳极：OHSO。第三步：写电极反应式和总的电解方程式。阴极：2Cu24e=2Cu；阳极：2H2O4e=O24H。根据得失电子数相等，两极反应式相加得总方程式：2CuSO42H2O2CuO22H2SO4。2、规避电解池中方程式书写的3个易失分点（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）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。【典型例题4】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_。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：_。【迁移训练4】【安徽第一卷xx第二次联考】下图为某化工厂用石墨电解Na2CrO4溶液制备Na2Cr2O7的模拟装置，下列有关说法错误的是( )A溶液中OH-由阴极区流向阳极区B阳极区产生的气体与阴极区产生的气体在相同状况 下体积之比为1：2C阳极的电极反应式为：2H2O-4e-=O2+4H+DNa2CrO4转化为Na2Cr2O7的离子方程式为：2CrO+2H+= Cr2O+H2O考点二：电解规律用惰性电极电解电解质溶液的规律电解类型电解质类别实例电极反应特点电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原电解水型强碱、含氧酸、活泼金属的含氧酸盐NaOHH和OH分别在阴极和阳极放电生成H2和O2水增大增大水H2SO4减小水Na2SO4不变水电解电解质型无氧酸、不活泼金属的无氧酸盐HCl电解质电离出的阴阳离子分别在两极放电电解质减小增大HClCuCl2CuCl2放H2生碱型活泼金属的无氧酸盐NaCl阴极：H2O得电子放H2生成碱阳极：电解质阴离子放电电解质和水生成新电解质增大HCl放O2生酸型不活泼金属的含氧酸盐CuSO4阴极：电解质阳离子放电阳极：H2O失电子放O2生成酸电解质和水生成新电解质减小CuO或 CuCO3【特别提醒】 当电解过程中电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H或OH放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H或OH均换成水，在生成物中出现的是碱或酸，同时使阴极、阳极反应式得失电子数目相同，将两个电极反应式相加，即得到总反应的化学方程式。两惰性电极电解时，若要使电解后的溶液恢复到原状态，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则，一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。【典型例题5】用石墨做电极电解1 mol/L CuSO4溶液，当c(Cu2)为0.5 mol/L时，停止电解，向剩余溶液中加入下列何种物质可使电解质溶液恢复至原来的状态()ACuSO4 BCuO CCu(OH)2 DCuSO45H2O【答案】B【迁移训练5】【浙江省湖州市xx年度高三二模考试卷】用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液，实验装置如图1所示。电解过程中的实验数据如图2所示，横坐标表示电解过程中转移电子的物质的量，纵坐标表示电解过程中产生气体的总体积（标况）。则下列说法中正确的是A电解过程中，b电极表面先有红色物质析出，然后才有气泡产生B从开始到Q点时收集到的混合气体的平均相对分子质量为17C曲线OP 段表示H2和O2混合气体的体积变化，曲线PQ段表示O2的体积变化Da电极上发生反应的方程式为：2H+ + 2e- = H2和4OH-4 e-=2H2O+ O2考点三：电化学定量计算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、方法技巧（1）根据电子守恒计算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，其依据是电路中转移的电子数相等。（2）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。（3）根据关系式计算根据得失电子守恒定律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。如以通过4 mol e为桥梁可构建如下关系式：(式中M为金属，n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。【提示】在电化学计算中，还常利用QIt和Qn(e)NA1.601019C来计算电路中通过的电量。【典型例题6】两个惰性电极插入500 mL AgNO3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()A27 mg B54 mg C106 mg D216 mg【迁移训练6】【广东省汕头市xx届高三上学期教学质量监控（期末）】（15分）（1）在298K时，1molCH4在氧气中完全燃烧生成二氧化碳和液态水，放出热量890.0 kJ。写出该反应的热化学方程式 。现有CH4和CO的混合气体0.75mol，完全燃烧后，生成CO2气体和18克液态水，并放出515kJ热量，则CH4和CO的物质的量分别为 、 mol.（2）利用该反应设计一个燃料电池：用氢氧化钾溶液作电解质溶液，多孔石墨做电极，在电极上分别通入甲烷和氧气。通入甲烷气体的电极应为 极（填写“正”或“负”），该电极上发生的电极反应是 （填字母代号）。a. CH4e- + 2O2 = CO2 + 2H2O b. CH48e- + 10OH- = CO32- + 7H2Oc. O2 + 2H2O + 4 e- = 4OH- d. O24 e- + 4H+ = 2H2O （3）在右图所示实验装置中，石墨棒上的电极反应式 为 ；如果起始时盛有1000mL pH=5的硫酸铜溶液（25，CuSO4足量），一段时间后溶液的pH变为1，此时可观察到的现象是 ；若要使溶液恢复到起始浓度（温度不变，忽略溶液体积的变化），可向溶液中加入 （填物质名称），其质量约为 。