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1、第3课时电解池金属的腐蚀与防护1.能分析、解释电解池的工作原理,能设计简单的电解池。2.认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。3.了解金属发生电化学腐蚀的本质,知道金属腐蚀的危害。了解防止金属腐蚀的措施。电解原理及电解规律1.电解和电解池电解在电流作用下,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电解池概念电能转化为化学能的装置构成(1)外接电源;(2)两个电极;(3)电解质溶液或熔融电解质;(4)形成闭合回路2.电解池的工作原理以惰性电极电解CuCl2溶液为例分析:(1)电极名称及电极反应(2)电解过程的三个流向电子流向:电源负
2、极电解池的阴极;电解池的阳极电源的正极。离子流向:阳离子电解池的阴极,阴离子电解池的阳极。电流方向:电源正极电解池的阳极电解质溶液电解池的阴极电源负极。(3)电解规律阳极产物的判断a.活性电极(除Au、Pt以外的金属材料作电极),电极材料失电子,生成金属阳离子。b.惰性电极(Pt、Au、石墨),要依据阴离子的放电顺序加以判断。阴离子的放电顺序:活泼电极S2-I-Br-Cl-OH-含氧酸根离子。S2-、I-、Br-、Cl-放电,产物分别是S、I2、Br2、Cl2;若OH-放电,则得到H2O和O2。阴极产物的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)Pb2
3、+Fe2+Zn2+H+(水)Al3+Mg2+。a.若金属阳离子(Fe3+除外)放电,则得到相应金属单质;若H+放电,则得到H2。b.放电顺序本质遵循氧化还原反应的优先规律,即得(失)电子能力强的离子先放电。3.惰性电极电解电解质溶液的产物判断4.电解后电解质溶液的复原需加适量的某物质,该物质可以是阴极与阳极产物的化合物。例如惰性电极电解CuSO4溶液,要恢复原溶液的浓度,可向电解后的溶液中加入CuO,也可以加入CuCO3,但不能加入Cu(OH)2,因为Cu(OH)2与生成的H2SO4反应后使水增加。使电解后的溶液恢复原状的方法:先让析出的产物(气体或沉淀)恰好完全反应,再将其化合物投入电解后的
4、溶液中即可。如NaCl溶液:通HCl气体(不能加盐酸)。AgNO3溶液:加Ag2O固体(不能加AgOH)。CuCl2溶液:加CuCl2固体。KNO3溶液:加H2O。CuSO4溶液:加CuO或CuCO3不能加Cu2O、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3。理解辨析1.判一判(正确的打“”,错误的打“”)(1)电解池的阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。()(2)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极。()(3)电解稀硫酸制H2、O2时,铜作阳极。()(4)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。()解析:(2)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向
5、电解池阴极。(3)电解稀硫酸制H2、O2时,用惰性电极作阳极,如果用铜作阳极,铜参与反应失电子。(4)Cl2在阳极生成。答案:(1)(2)(3)(4)2.想一想(1)根据金属活动性顺序表,Cu和稀H2SO4不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?提示:Cu作阳极,C作阴极,稀H2SO4作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。阳极电极反应式为Cu-2e-Cu2+,阴极电极反应式为2H+2e-H2。总反应式为Cu+2H+Cu2+H2。(2)若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98 g Cu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数
6、为多少?提示:方法一为98 g Cu(OH)2的物质的量为1 mol,相当于电解了1 mol的CuSO4后,又电解了1 mol的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。方法二为可以认为整个电路中转移的电子数与Cu(OH)2的O2-失电子数相等,共4NA。3.做一做按要求书写电极反应式和总反应的化学方程式。(1)用惰性电极电解MgCl2溶液阳极反应式: ;阴极反应式: ;总反应的离子方程式: 。(2)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜阳极反应式: ;阴极反应式: ;总反应的化学方程式: 。答案:(1)2Cl-2e-Cl2Mg2+2H2O+2e-H2+Mg(OH)2Mg2+
7、2Cl-+2H2OMg(OH)2+Cl2+H2(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+6H+6e-3H22Al+3H2OAl2O3+3H21.加“碘”食盐较多使用的碘酸钾(KIO3),在工业上可用电解法制取。以石墨和不锈钢为电极,以KI溶液为电解液,在一定条件下电解,反应的化学方程式为KI+3H2OKIO3+3H2。下列有关说法正确的是(B)A.电解时,石墨作阴极B.电解时,阴极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-C.溶液调节至强酸性,有利于生产碘酸钾D.电解时电解液中的K+向阳极移动解析:A.根据电池反应式知,阳极上I-放电生成IO3-,则阳极应该为惰性电极石墨,阴极为不锈钢,错误
8、;B.电解时,阴极上H+放电生成H2,阳极上I-放电生成IO3-,故阳极的电极反应式为I-6e-+3H2OIO3-+6H+,阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-,正确;C.KI和KIO3在酸性溶液中发生氧化还原反应,不利于生产碘酸钾,错误;D.电解时电解液中的K+向负电荷较多的阴极移动,错误。2.某研究小组在探究电化学原理时,如图将盐桥换成n形弯铁丝,当接通直流电源后,石墨附近溶液变红。下列判断或预测错误的是(C)A.A为电源的负极B.铁丝左端附近出现灰绿色沉淀C.电子移动方向为A石墨铁丝石墨BD.石墨电极反应式为2Cl-2e-Cl2解析:盐桥换成n形弯铁丝,当接通直流电源后,石墨
9、附近溶液变红,说明石墨是阴极,A为负极,B为正极,石墨为阳极,故A正确;铁丝左端为阳极,Fe-2e-Fe2+,Fe2+与阴极产生的OH-结合生成Fe(OH)2,很快被氧化,呈灰绿色,铁丝左端附近出现灰绿色沉淀,故B正确;电子不能在溶液中移动,故C错误;石墨为阳极,氯离子失电子发生氧化反应,电极反应式为2Cl-2e-Cl2,故D正确。3.用铂作电极电解100 mL 2 mol/L MSO4盐溶液,当阳极收集到0.56 L气体时(标准状况),阴极增重3.2 g,若电解前后溶液的体积变化忽略不计,下列说法不正确的是(C)A.电路中通过电子数目为0.1NAB.M的摩尔质量为64 g/molC.电解后溶
10、液的pH=1D.阳极收集到的气体是O2解析:用铂作电极电解100 mL 2 mol/L MSO4盐溶液,阳极电极反应式为2H2O-4e-O2+4H+,n(O2)=0.56 L22.4 L/mol=0.025 mol,则根据电极反应式可知,电路中通过电子的物质的量为4n(O2)=0.025 mol4=0.1 mol,数目为0.1NA,故A正确;阴极电极反应式为M2+2e-M,根据阴、阳极得失电子守恒可知,M2+得电子的物质的量为0.1 mol,则阴极析出M的物质的量为0.05 mol,则M的摩尔质量为3.2 g0.05mol=64 g/mol,故B正确;由A的分析可知n(O2)=0.025 mo
11、l,根据电极反应式2M2+2H2O2M+4H+O2可知,电解后溶液中H+的物质的量为0.025 mol4=0.1 mol,则c(H+)=0.1mol0.1 L=1 mol/L,则溶液的pH=0,C不正确;用铂作电极电解100 mL 2 mol/L MSO4盐溶液,阳极电极反应式为2H2O-4e-4H+O2,则阳极收集到的气体是O2,故D正确。 分析电解过程的思维程序电解原理的应用1.氯碱工业(1)电极反应阳极:2Cl-2e-Cl2(反应类型:氧化反应);阴极:2H2O+2e-H2+2OH-(反应类型:还原反应)。(2)电解方程式化学方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2+Cl2;离子方程
12、式:2Cl-+2H2O2OH-+H2+Cl2。(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图阳离子交换膜的作用阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应:2NaOH+Cl2NaCl+NaClO+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀食盐水、浓NaOH溶液;X、Y分别为Cl2、H2。2.电镀铜电镀铜两极材料阳极:铜阴极:待镀金属电镀液含镀层金属阳离子的电解质溶液电极反应阳极:Cu-2e-Cu2+阴极:Cu2+2e-Cu3.电冶金(1)电解精炼铜电解精炼铜两极材料阳极:粗铜阴极:纯铜两极反应阳极(含Zn、Ni、Ag、Au等
13、杂质);Zn-2e-Zn2+、Ni-2e-Ni2+Cu-2e-Cu2+(主要反应)阴极:Cu2+2e-Cu(2)利用电解法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等项目总化学方程式阳极、阴极反应式冶炼钠2NaCl(熔融)2Na+Cl22Cl-2e-Cl2、2Na+2e-2Na冶炼镁MgCl2(熔融)Mg+Cl22Cl-2e-Cl2、Mg2+2e-Mg冶炼铝2Al2O3(熔融)4Al+3O26O2-12e-3O2、4Al3+12e-4Al 由于AlCl3为共价化合物,熔融状态下不导电,所以电解冶炼铝时,电解的为熔点很高的氧化铝,为降低熔点,加入了助熔剂冰晶石(Na3AlF6);电解过程中,阳极生成的
14、氧气与石墨电极反应,因此石墨电极需不断补充。理解辨析1.判一判(正确的打“”,错误的打“”)(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。()(2)在镀件上电镀铜时,镀件应连接电源的正极。()(3)根据得失电子守恒可知电解精炼铜时,阳极减少的质量和阴极增加的质量相等。()(4)电解冶炼镁、铝通常电解熔融的MgCl2和Al2O3,也可以电解熔融的MgO和AlCl3。()解析:(1)金属材料Pt和Au都是惰性电极,两极都可用,阴极也可用活泼金属电极。(2)镀件应连接电源的负极,作电解池的阴极。(3)阳极溶解的金属还有Zn、Ni、Fe等,故不相等。(4)MgO熔点高,熔融需要的能量高;AlCl3
15、是共价化合物,熔融时不导电。答案:(1)(2)(3)(4)2.想一想(1)氯碱工业中如果去掉离子交换膜,最终得到什么物质?写出该物质的一种用途。提示:所得溶质为NaClO,杀菌消毒。(2)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2溶液作电解质溶液,由于放电顺序H+Zn2+,能否在铁上镀锌?提示:可以。用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2溶液作电解质溶液,由于放电顺序受浓度等外界条件的影响,在此条件下,放电顺序Zn2+H+,可以在铁上镀锌。3.做一做KIO3也可采用“电解法”制备,装置如图所示。(1)写出电解时阴极的电极反应式: 。(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为,其迁移方向是。解析:(1
16、)电解液是KOH溶液,阴极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2。(2)电解过程中阳极的电极反应式为I-+6OH-6e-IO3-+3H2O。阳极的K+通过阳离子交换膜由电极a迁移到电极b。答案:(1)2H2O+2e-2OH-+H2(2)K+由电极a到电极b 电解原理的常规应用1.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述中正确的是(已知:氧化性Fe2+Ni2+Cu2+)(D)A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2+2e-NiB.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量相等C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+D.
17、电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt解析:阴极发生还原反应,阳极发生氧化反应,故A错误;电解过程中,阳极失电子的有Fe、Zn以及阳极溶解的Cu、Pt,阴极析出的是镍,依据得失电子守恒,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等,故B错误;电解后,溶液中存在的阳离子有H+、Fe2+、Zn2+、Ni2+,故C错误;粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质作阳极,氧化性Fe2+Ni2+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,电解质溶液相同时,两极的活泼性差别越大,负极金属越易被腐蚀,如ZnCu(H2SO4)中的Zn比Zn-Fe(H2SO4)中的Zn腐蚀快。(3)由相同正、
18、负极构成的原电池(如Fe-Cu原电池)电解质的氧化能力越强,负极金属越易被腐蚀。如Fe在不同电解质溶液中的腐蚀速率是CuSO4溶液稀H2SO4NaCl溶液。电解质中起氧化作用的离子相同时,该离子浓度越大,负极金属腐蚀速率越快。如腐蚀速率:1 molL-1盐酸0.1 molL-1盐酸0.1 molL-1醋酸海水(起氧化作用的H+浓度逐渐减小)。1.(2020山东卷,13)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图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是(D)A.阳极反应2H2O-4e-4H+O2B.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
19、D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量解析:分析可知a极是阳极,属于放氧生酸性型的电解,所以阳极的反应式是2H2O-4e-4H+O2,故A正确;电解时阳极产生氢离子,氢离子是阳离子,通过质子交换膜移向阴极,所以电解一段时间后,阳极室的pH不变,故B正确;由B的分析可知,H+由a极区向b极区迁移,故C正确;电解时,阳极的反应为2H2O-4e-4H+O2,阴极的反应为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,要消耗氧气,即a极生成的氧气小于b极消耗的氧气,故D错误。2.(2021广东卷,16)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
20、中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是(D)A.工作时,室和室溶液的pH均增大B.生成1 mol Co,室溶液质量理论上减少16 gC.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:2Co2+2H2O2Co+O2+4H+解析:A.由图可知,该装置为电解池,石墨电极为阳极,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由室向室移动,使室中氢离子浓度增大,溶液pH减小,错误;B.阴极生成1 mol钴,阳极有1 mol水放电,生成O2和H+,放电生成的H+根据电中性原则,向室移动,则室溶液质量减少18 g,错误;C.若移除离子交换膜,氯离子的放电能力强于水,氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成
21、氯气,则移除离子交换膜,石墨电极的电极反应会发生变化,错误;D.电解的总反应的离子方程式为2Co2+2H2O2Co+O2+4H+,正确。3.(2020江苏卷,11)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。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是(C)A.阴极的电极反应式为Fe-2e-Fe2+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解析:阴极的钢铁设施实际作原电池的正极,正极金属被保护不失电子,故A错误;阳极金属M实际为原电池装置的负极,电子流出,原电池中负极金属比正极的活泼,因此金属M的活动性比Fe的活
22、动性强,故B错误;金属M失电子,电子经导线流入钢铁设施,从而使钢铁设施表面积累大量电子,自身金属不再失电子从而被保护,故C正确;海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度,离子浓度越大,溶液的导电性越强,因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中的快,故D错误。4.(2021全国乙卷,12)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(D)A.阳极发生将海水中的Cl-氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排
23、入大气D.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理解析:阳极区海水中的Cl-会优先失去电子生成Cl2,发生氧化反应,A正确;设置的装置为电解池,根据分析知,阳极区生成的Cl2与阴极区生成的OH-在管道中会发生反应生成NaCl、NaClO和H2O,其中NaClO具有强氧化性,可氧化灭杀附着的生物,B正确;因为H2是易燃性气体,所以阴极区生成的H2需及时通风稀释,安全地排入大气,以排除安全隐患,C正确;阴极的电极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-,会使海水中的Mg2+沉淀积垢,所以阴极表面会形成Mg(OH)2等积垢,需定期清理,D错误。5.(2021湖南卷,16节选)氨气中氢含量高,是一种优良的小分子储氢载体,且安全、易储运,可通过氨电解法制氢气。利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。(1)电解过程中OH-的移动方向为(填“从左往右”或“从右往左”)。(2)阳极的电极反应式为。解析:(1)由图可知,通NH3的一极氮元素化合价升高,发生氧化反应,为电解池的阳极,则另一电极为阴极,电解过程中OH-移向阳极,则从右往左移动。(2)阳极NH3失电子发生氧化反应生成N2,结合碱性条件,电极反应式为2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O。答案:(1)从右往左(2)2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O