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1、第17讲 电解池 金属的腐蚀与防护【学科核心素养】变化观念与平衡思想：认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化；能多角度、动态地分析电解池中发生的反应，并运用电解原理解决实际问题。 证据推理与模型认知：利用电解池装置，分析电解原理，建立解答电解池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。科学态度与社会责任：肯定电解原理对社会发展的重大贫献，具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与电解有关的社会热点问题做出正确的价值判断。【核心素养发展目标】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。【知
2、识点解读】知识点一 电解的原理1.电解和电解池(1)电解：在电流作用下，电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。(2)电解池：电能转化为化学能的装置。(3)电解池的构成有与电源相连的两个电极。电解质溶液(或熔融电解质)。形成闭合回路。2.电解池的工作原理(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl2溶液为例)总反应式：CuCl2CuCl2(2)电子和离子的移动方向电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流出后流向电源的正极。离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。3.阴阳两极上放电顺序(1)阴极：(与电极材料无关)。氧化性强的先放电，放电顺序：(2)阳极：若
3、是活性电极作阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应。若是惰性电极作阳极，放电顺序为注意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。最常用、最重要的放电顺序为阳极：Cl>OH；阴极：Ag>Cu2>H。电解水溶液时，KAl3不可能在阴极放电，即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。4.用惰性电极电解电解质溶液的规律4.用惰性电极电解电解质溶液的规律类型实例电极反应特点或反应式电解产物溶液pH变化溶液复原电解水型含氧酸H2SO4溶液中的H和OH分别在阴阳两极放电：阴极：4H4e=2H2阳极：4OH4e=2H2OO2H2O
4、2减小水强碱NaOH增大活泼金属的含氧酸盐KNO3不变电解电解质型无氧酸(氢氟酸除外)HCl电解质电离的阴阳离子分别在两极放电：阳极：2Cl2e=Cl2H2Cl2增大HCl不活泼金属的无氧酸盐CuCl2CuCl2CuCl2放氢生碱型活泼金属的无氧酸盐NaCl阴极水电离的H放电，阳极电解质电离的阴离子放电阴极：H2阳极：Cl2增大HCl放氧生酸性不活泼金属的含氧酸盐AgNO3阳极水电离的OH放电，阴极电解质的阳离子放电阴极：Age=AgAg阳极：O2减小Ag2O知识点二 电解原理的应用1.氯碱工业阳极反应式：2Cl2e=Cl2(氧化反应)阴极反应式：2H2e=H2(还原反应)总反应方程式：2Na
5、Cl2H2O2NaOHH2Cl22.电镀与电解精炼电镀电解精炼铜示意图电极反应阳极Cu2e=Cu2Zn2e=Zn2，Cu2e=Cu2阴极Cu22e=CuCu22e=Cu电解质溶液的浓度变化CuSO4溶液的浓度不变CuSO4溶液的浓度变小3.电冶金电解冶炼冶炼钠冶炼铝电极反应阳极：2Cl2e=Cl2阴极：2Na2e=2Na阳极：6O212e=3O2阴极：4Al312e=4Al总反应2NaCl(熔融)2NaCl22Al2O3(熔融)4Al3O2知识点三 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
6、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
7、金属设备；b.阳极：惰性金属或石墨。(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。【典例剖析】高频考点一 电解规律及电极产物的判断【例1】（2021·全国乙卷）沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率，为解决这一问题，通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。下列叙述错误的是A阳极发生将海水中的氧化生成的反应B管道中可以生成氧化灭杀附着生物的C阴极生成的应及时通风稀释安全地排入大气D阳极表面形成的等积垢需要定期清理【变式探究】（2020·山东
8、卷）采用惰性电极，以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是A. 阳极反应B. 电解一段时间后，阳极室的pH未变C. 电解过程中，H+由a极区向b极区迁移D. 电解一段时间后，a极生成的O2与b极反应的O2等量【变式探究】(双选)如图所示，在一定电压下用惰性电极电解由等物质的量浓度的FeCl2、HCl组成的混合溶液。已知在此电压下，阴、阳离子根据放电顺序都可能在阳极放电，下列分析正确的是()AC1电极上的电极反应式为2H2e=H2BC1电极处溶液首先变棕黄色CC2电极上可依次发生的电极反应为Fe2e=Fe3、2Cl2e=Cl2D当C1电极上
9、有2 g物质生成时，就会有2NA个电子通过溶液发生转移高频考点二 电极反应式的书写与判断【例2】2019新课标节选近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：（4）在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如下图所示：负极区发生的反应有_（写反应方程式）。电路中转移1 mol电子，需消耗氧气_L（标准状况）。【方法技巧】书写电解池的电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但书写电解池的总反应时，弱电解质要写成分子式。如用惰
10、性电极电解食盐水时，阴极反应式为2H2e=H2(或2H2O2e=H22OH)；总反应离子方程式为2Cl2H2O2OHH2Cl2。电解水溶液时，应注意放电顺序，位于H、OH之后的离子一般不参与放电。Fe3在阴极上放电时生成Fe2而不是得到单质Fe。【变式探究】(2018·全国卷，13)最近我国科学家设计了一种CO2H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：EDTA-Fe2e=EDTA-Fe32EDTA-Fe3H2S=2HS2EDTA-Fe2该装置工作时，下列叙述错误的是(
11、)A.阴极的电极反应：CO22H2e=COH2OB.协同转化总反应：CO2H2S=COH2OSC.石墨烯上的电势比ZnO石墨烯上的低D.若采用Fe3/Fe2取代EDTA-Fe3/EDTA-Fe2，溶液需为酸性高频考点三 电子守恒在电化学计算中的应用【例3】以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液，电解过程中转移电子的物质的量n(e)与产生气体总体积V(标准状况)的关系如图所示，下列说法中正确的是()A电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 mol·L1B忽略溶液体积变化，电解后所得溶液中c(H)2 mol·L1C当n(e)0.6 mol时，V(H2)V(O2)32D向电解
12、后的溶液中加入16 g CuO，则溶液可恢复到电解前的浓度【方法技巧】电化学综合计算的三种常用方法(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。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定律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。【变式探究】按如图1所示装置进行电解，A、B、C、D均为铂电极，回答下列问题。(1)甲槽电解的是200 mL一定浓度的NaCl与CuSO4的混合溶液，理论上两极所得气体的
13、体积随时间变化的关系如图2所示(气体体积已换算成标准状况下的体积，电解前后溶液的体积变化忽略不计)。原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为_mol·L1，CuSO4的物质的量浓度为_mol·L1。t2时所得溶液的pH_。(2)乙槽为200 mL CuSO4溶液，乙槽内电解的总离子方程式：_：当C极析出0.64 g物质时，乙槽溶液中生成的H2SO4为_mol。电解后，若使乙槽内的溶液完全复原，可向乙槽中加入_(填字母)。ACu(OH)2BCuOCCuCO3 DCu2(OH)2CO3若通电一段时间后，向所得的乙槽溶液中加入0.2 mol的Cu(OH)2才能恰好恢复到电解前的浓度，
14、则电解过程中转移的电子数为_。高频考点四 电解原理的应用【例4】（2021·广东高考）钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是A工作时，室和室溶液的均增大B生成，室溶液质量理论上减少C移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变D电解总反应：【变式探究】(2020·全国卷节选)(1)氯气是制备系列含氯化合物的主要原料，可采用如图所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许_离子通过，氯气的逸出口是_(填标号)。(2)(2020·全国卷节选)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种
15、分子的耦合转化，其原理如图所示：阴极上的反应式为_。若生成的乙烯和乙烷的体积比为21，则消耗的CH4和CO2体积比为_。【变式探究】2019·北京节选氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。（2）可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2，可交替得到H2和O2。制H2时，连接_。产生H2的电极反应式是_。改变开关连接方式，可得O2。结合和中电极3的电极反应式，说明电极3的作用：_。【举一反三】2019·江苏卷CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。（2）电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO
16、2制HCOOH的原理示意图如下。写出阴极CO2还原为HCOO的电极反应式： 。电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是 。高频考点五 金属腐蚀与防护【例5】（2020·江苏卷）将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是A. 阴极的电极反应式为B. 金属M的活动性比Fe的活动性弱C. 钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D. 钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快【方法技巧】判断金属腐蚀快慢的规律(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀速率的快慢：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
17、施的腐蚀。(2)对同一金属来说，在不同溶液中腐蚀速率的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(3)活动性不同的两种金属，活动性差别越大，腐蚀速率越快。(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。【变式探究】(2019·上海卷)关于右图装置，叙述错误的是()A石墨电极反应O24H4e=2H2OB鼓入少量空气，会加快Fe的腐蚀C加入少量的NaCl，会加快Fe的腐蚀D加入HCl，石墨电极反应式：2H2e=H2【变式探究】2019·江苏卷将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验
18、的说法正确的是A铁被氧化的电极反应式为Fe3e=Fe3+B铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能C活性炭的存在会加速铁的腐蚀D以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀【变式探究】(2018·北京卷)验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。在Fe表面生成蓝色沉淀试管内无明显变化试管内生成蓝色沉淀下列说法不正确的是()A对比，可以判定Zn保护了FeB对比，K3Fe(CN)6可能将Fe氧化C验证Zn保护Fe时不能用的方法D将Zn换成Cu，用的方法可判断Fe比Cu活泼【变式探究】(双选)为了减少钢管因锈蚀造成的损失，某城市拟用如图方法保护埋在酸性土壤中的钢管。下列有关说法中错误的是()A在潮湿的酸性土壤中，钢管主要发生析氢腐蚀B在潮湿的酸性土壤中，电子由钢管通过导线流向金属棒MC在潮湿的酸性土壤中，H向金属棒M移动，抑制H与铁的反应D金属棒M与钢管用导线连接后可使钢管表面的腐蚀电流接近于零