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1、第21讲电解池金属的腐蚀与防护内容要求1.了解电解池的工作原理。2.认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。3.了解金属发生电化学腐蚀的本质。4.知道金属腐蚀的危害,了解防止金属腐蚀的措施。知识点1电解原理一、电解池1.概念:将电能转化为化学能的装置。2.构成条件及工作原理二、电解规律(阳极为惰性电极)类型电极反应特点实例电解物质电解质溶液浓度pH电解质溶液复原电解水型阴极:4H+4e-2H2阳极:4OH-4e-2H2O+O2NaOH水增大增大加水H2SO4水增大减小加水Na2SO4水增大不变加水电解电解质型电解质电离出的阴阳离子分别在两极放电HCl电解质减小增大通氯化氢CuCl2电解质
2、减小增大加氯化铜放H2生碱型阴极:放出H2生成碱阳极:电解质阴离子放电NaCl电解质和水生成新电解质增大通氯化氢放O2生酸型阴极:电解质阳离子放电阳极:OH-放电生成酸AgNO3电解质和水生成新电解质减小加氧化银1.电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程。()2.利用电解法可以实现2Ag+2H+2Ag+H2。()3.惰性电极电解NaCl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。()4.惰性电极电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大。()5.用Cu作电极电解盐酸可发生Cu+2H+Cu2+H2。()6.用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,加入Cu(OH)2或Cu
3、O均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。()7.惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。()答案:1.2.3.4.5.6.7.题点一电解原理及规律1.(2020浙江7月选考)电解高浓度RCOONa(羧酸钠)的NaOH溶液,在阳极RCOO-放电可得到RR(烷烃)。下列说法不正确的是(A)A.电解总反应方程式:2RCOONa+2H2ORR+2CO2+H2+2NaOHB.RCOO-在阳极放电,发生氧化反应C.阴极的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2D.电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷解析:CO2可与NaOH反应,故电解
4、后不能得到CO2,A项不正确;阳极发生失电子的氧化反应,B项正确;阴极得电子,电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2,C项正确;根据电解RCOONa的NaOH溶液生成RR可知,电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH的混合溶液,CH3、CH2CH3可结合成乙烷、丙烷、丁烷,D项正确。2.(2020山东卷)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.阳极反应为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D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O
5、2等量解析:结合题图,可知a极上产生O2,发生的反应为水被氧化生成O2的反应,即a极为阳极,b极为阴极,电极反应式如表电极名称电极反应式a极(阳极)2H2O-4e-4H+O2b极(阴极)2H+O2+2e-H2O2结合上述分析可知,A项正确;电解一段时间后,溶液中H+浓度未变,即阳极室的pH未变,B项正确;电解过程中,H+通过质子交换膜,从a极区向b极区迁移,C项正确;由阴、阳极的电极反应式可知,电解一段时间后,b极消耗O2的量是a极生成O2的量的2倍,即a极生成的O2与b极反应的O2的量不相等,D项错误。3.用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的PO43-以FePO4(不溶于水)的形式除去
6、,其装置如图所示。下列说法正确的是(D)A.若X、Y电极材料连接反了,则仍可将废水中的PO43-除去B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小D.电解时废水中会发生反应:4Fe2+O2+4H+4PO43-4FePO4+2H2O解析:根据题意分析,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨,若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;Y电极材料为石墨,该电极附近发生还原反应,B项错误;电解过程中Y极上发生的反应为2H+2e-H2,H+浓度减小,溶液的pH变大,C项错误;铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe
7、3+与PO43-反应生成FePO4,D项正确。题点二电解池电极反应式的书写4.(1)用惰性电极电解AgNO3溶液阳极反应式:。阴极反应式:。总反应离子方程式:。(2)用惰性电极电解熔融MgCl2阳极反应式:。阴极反应式:。总反应离子方程式:。(3)用Cu作电极电解CuSO4溶液阳极反应式:。阴极反应式:。(4)用铁作电极电解NaCl溶液阳极反应式:。阴极反应式:。总反应化学方程式:。(5)用Al作电极电解NaOH溶液阳极反应式:。阴极反应式:。总反应离子方程式:。(6)用惰性电极电解K2MnO4溶液制备KMnO4阳极反应式:。阴极反应式:。总反应离子方程式:。答案:(1)2H2O-4e-O2+
8、4H+4Ag+4e-4Ag4Ag+2H2O4Ag+O2+4H+(2)2Cl-2e-Cl2Mg2+2e-MgMg2+2Cl-Mg+Cl2(3)Cu-2e-Cu2+Cu2+2e-Cu(4)Fe-2e-Fe2+2H2O+2e-H2+2OH-Fe+2H2OFe(OH)2+H2(5)2Al-6e-+8OH-2AlO2-+4H2O6H2O+6e-3H2+6OH-2Al+2H2O+2OH-2AlO2-+3H2(6)2MnO42-2e-2MnO4-2H2O+2e-H2+2OH-2MnO42-+2H2O2MnO4-+H2+2OH- 电解池电极反应式的书写步骤知识点2电解原理的应用一、电解饱和食盐水1.反应原理(
9、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;离子方程式:2Cl-+2H2O2OH-+H2+Cl2。2.反应装置阳离子交换膜:只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过;将电解槽隔成阳极室和阴极室。二、电镀铜与电解精炼铜1.电镀铜2.电解精炼铜说明:(1)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为金属电极阳极;电极质量增加的电极必为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属沉积在阴极上。(2)电镀的特点是“一多、一少、一不变”:一多是指阴极上有镀层金属沉积
10、,一少是指阳极上有镀层金属溶解,一不变是指电解质溶液的浓度不变。(3)电解精炼铜时由于阳极发生多个反应,阴极增重质量不等于阳极减少的质量,并且溶液中c(Cu2+)减小。三、电冶金总反应方程式阳极、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说明:(1)由于AlCl3为共价化合物,熔融状态下不导电,所以电解法冶炼铝时,电解的为熔点很高的氧化铝。(2)为降低Al2O3的熔化温度,加入了助熔剂
11、冰晶石(Na3AlF6)。(3)电解过程中,阳极生成的氧气与石墨电极反应,所以石墨电极需不断补充。1.电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。()2.氯碱工业中用阳离子交换膜能够阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应。()3.电解精炼铜时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。()4.在镀件上电镀银时,镀件与电源的正极连接。()5.电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。()答案:1.2.3.4.5.题点一金属冶炼、电镀1.用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是(C)A.待加工铝制工件为阳极B.
12、可选用不锈钢网作为阴极C.阴极的电极反应式为Al3+3e-AlD.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动解析:由信息可知,用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,则氧化膜为氧化铝,所以在电解过程中,铝失电子转化为氧化铝,待加工铝制工件为阳极,A正确;在电解池中,阴极的金属电极不放电,被保护,所以可选用不锈钢网作为阴极,B正确;在该电解池中,阴极为氢离子放电生成氢气,电极反应式为2H+2e-H2,C错误;在电解池中,阴离子向阳极移动,所以硫酸根离子在电解过程中向阳极移动,D正确。2.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
13、(已知:氧化性Fe2+Ni2+Fe,B项错误;钢铁设施为原电池的正极,表面积累大量电子而被保护,C项正确;海水中含有大量的NaCl等电解质,而河水中电解质较少,故钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的慢,D项错误。 金属电化学腐蚀快慢的比较方法当堂检测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(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入大气D
14、.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理解析:海水中存在大量的Cl-,在阳极Cl-放电生成Cl2,A叙述正确;阴极H2O放电生成H2和OH-,OH-与Cl2反应生成ClO-,因此管道中存在一定量的NaClO,B叙述正确;因为H2为可燃性气体,所以阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气,C叙述正确;阴极产生OH-,因此会在阴极表面形成Mg(OH)2等积垢,需要定期清理以保持良好的导电性,D叙述错误。2.(2021全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体,可采用如图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(D
15、)A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用B.阳极上的反应式为+2H+2e-+H2OC.制得2 mol乙醛酸,理论上外电路中迁移了1 mol电子D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移解析:由题图可知,在铅电极乙二酸变成乙醛酸是去氧的过程,发生还原反应,则铅电极是电解装置的阴极,石墨电极发生氧化反应,反应为2Br-2e-Br2,是电解装置的阳极。由上述分析可知,Br-起到还原剂的作用,A错误;阳极上的反应式为2Br-2e-Br2,B错误;制得2 mol乙醛酸,实际上是左、右两侧各制得1 mol乙醛酸,共转移2 mol电子,故理论上外电路中迁移的电子为2 mol,C错误;电
16、解装置中,阳离子移向阴极(即铅电极),D正确。3.(2021嘉兴教学测试)电解法对煤进行脱硫处理的基本原理如图所示,利用电极反应将Mn2+转化成Mn3+,Mn3+再将煤中的含硫物质(主要是FeS2)氧化为Fe3+和SO42-。下列说法不正确的是(D)A.混合液中发生反应:FeS2+15Mn3+8H2OFe3+15Mn2+2SO42-+16H+B.Mn2+在阳极放电,发生氧化反应C.阴极的电极反应:2H+2e-H2D.电解过程中,混合液中H+的物质的量浓度将变小解析:根据图示可知,Mn2+在阳极失去电子,发生氧化反应,阳极的电极反应式为Mn2+-e-Mn3+,H+在阴极得到电子,发生还原反应,阴
17、极的电极反应式为2H+2e-H2,混合液中发生反应FeS2+15Mn3+8H2OFe3+15Mn2+2SO42-+16H+。A.根据分析可知,混合液中发生反应FeS2+15Mn3+8H2OFe3+15Mn2+2SO42-+16H+,正确;B.Mn2+在阳极失去电子,发生氧化反应,正确;C.H+在阴极得到电子,发生还原反应,阴极的电极反应式为2H+2e-H2,正确;D.由分析可知,电解过程中,混合液中H+的物质的量浓度将变大,错误。4.某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件(已知Fe2+遇K3Fe(CN)6溶液呈蓝色)。下列说法不合理的是(A)A.区Cu电极上产生气泡,Fe电极附近滴加K
18、3Fe(CN)6溶液后出现蓝色,Fe被腐蚀B.区Cu电极附近滴加酚酞后变成红色,Fe电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液出现蓝色,Fe被腐蚀C.区Zn电极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,Fe电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液未出现蓝色,Fe被保护D.区Zn电极的电极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-,Fe电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液出现蓝色,Fe被腐蚀解析:区发生吸氧腐蚀,Cu为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-4OH-,Cu电极上不产生气泡,A项错误;区Cu为阴极,电极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-,Cu电极附近溶液碱性增强,滴加酚酞后变成红色,Fe为阳极,被腐蚀,
19、电极反应式为Fe-2e-Fe2+,Fe电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液出现蓝色,B项正确;区Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-Zn2+,Fe为正极,被保护,C项正确;区Zn为阴极,电极反应式为2H2O+2e-H2+2OH-,Fe作阳极,被腐蚀,电极反应式为Fe-2e-Fe2+,Fe电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液出现蓝色,D项正确。5.(1)(2021湖南卷节选)利用电解原理,将氨转化为高纯氢气,其装置如图所示。阳极的电极反应式为 。(2)固体氧化物电解池(传导O2-)将CO2和H2O转化为n(H2)n(CO)=1的合成气并联产高纯度O2,写出电解池阴极反应式: 。解析:(1)阳极上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。(2)根据题意,该电解池的总反应为CO2+H2OH2+CO+O2,电解池中阳极失电子被氧化,阴极得电子被还原,固体氧化物电解池(传导O2-)的阳极反应式为2O2-4e-O2,总反应减去阳极反应可得阴极反应为CO2+H2O+4e-CO+H2+2O2-。答案:(1)2NH3-6e-+6OH-N2+6H2O(2)CO2+H2O+4e-CO+H2+2O2-