全国版2021高考化学一轮复习第19讲电解池金属的电化学腐蚀与防护课件 72页

化学反应与能量转化 第六章 第 19 讲　电解池　金属的电化学腐蚀与防护 1. 理解电解池的构成、工作原理及应用。　 2. 能写出电极反应式和反应方程式。　 3. 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。 栏 目 导 航 考点一　电解原理 考点二　电解原理在工业生产中的应用 考点三　金属的腐蚀与防护 探究高考 · 明确考向 1 ． 电解 在 __________ 作用下，电解质在两个电极上分别发生 __________ 和 __________ 的过程。 2 ． 电解池 (1) 概念： 电解池是把 __________ 能转化为 __________ 能的装置。 考点一　电解原理 电流 　 氧化反应 　 还原反应 　 电 　 化学 　 (2) 构成条件： ①有与 __________ 相连的两个电极。 ②电解质溶液 ( 或熔融盐 ) 。 ③形成 __________ 。 电源 　 闭合回路 　 3 ． 电解池工作原理 (1) 电极名称及电极反应式 ( 如图 ) (2) 电子和离子的移动方向 一般情况下，离子按上述顺序放电，但如果离子浓度相差十分悬殊，离子浓度大的也可以先放电。如理论上 H ＋ 的放电能力大于 Fe 2 ＋ 、 Zn 2 ＋ ，但在电解浓度大的硫酸亚铁或硫酸锌溶液中，由于溶液中 c (Fe 2 ＋ ) 或 c (Zn 2 ＋ ) ≫ c (H ＋ ) ，则先在阴极上放电的是 Fe 2 ＋ 或 Zn 2 ＋ ，因此阴极上的主要产物为 Fe 或 Zn ；但在水溶液中， Al 3 ＋ 、 Mg 2 ＋ 、 Na ＋ 等是不会在阴极上放电的。 5 ． 用惰性电极电解电解质溶液的规律 水 减小 增大 不变 水 HCl 增大 HCl CuCl 2 CuCl 2 NaCl 和 H 2 O 增大 HCl 4HNO 3 AgNO 3 和 H 2 O 减小 Ag 2 O [ 想一想 ] 　 (1) 电解水型电解一段时间后，其电解质的浓度一定增大吗？举例说明。 提示： 不一定，如用惰性电极电解饱和 Na 2 SO 4 溶液，一段时间后会析出 Na 2 SO 4 · 10H 2 O 晶体，剩余溶液仍为该温度下的饱和溶液，此时浓度保持不变。 (2) 要使电解后的 CuSO 4 溶液复原，加入 Cu(OH) 2 固体可以吗？为什么？加入 CuCO 3 为什么也可复原？ 提示： 不可以，因为电解 CuSO 4 溶液时，尽管 Cu 2 ＋ 和 OH － 分别放电，按照电极反应式 Cu 2 ＋ ＋ 2e － ===Cu 、 4OH － － 4e － ===2H 2 O ＋ O 2 ↑ ，氢元素变成 H 2 O 仍然留在溶液中，只有 Cu 析出和 O 2 逸出，且物质的量之比为 2∶1 ，所以要让溶液复原，需要加 CuO ，而不能加 Cu(OH) 2 。加入 CuCO 3 时， CO 2 变为气体逸出，相当于加的是 CuO 。 (3) 通过上述分析，电解质溶液复原应遵循什么原则？ 提示： 电解质溶液的复原应遵循 “ 从溶液中析出什么补什么 ” 的原则，即从溶液中析出哪种元素的原子，则应按比例补入那种元素的原子。 (4) 根据金属活动顺序表， Cu 和稀 H 2 SO 4 不反应，怎样根据电化学的原理实现 Cu 和稀 H 2 SO 4 反应产生 H 2 ? 阴 　 CO 2 ＋ 6H ＋ ＋ 6e － ===CH 3 OH ＋ H 2 O A 　 从左向右　 　 (4) 将二氧化碳转化为乙烯的装置如图所示，使用的电极材料均为惰性电极。则 a 为电源的 ______ 极，阴极反应式为 ________________________________________ ； 阳极反应式 __________________________ 。 正极　 　 2CO 2 ＋ 12H ＋ ＋ 12e － ===C 2 H 4 ＋ 4H 2 O 　 　 　 2H 2 O － 4e － ===O 2 ↑ ＋ 4H ＋ 　 　 　 电极反应式的书写 —— “ 二判二析一写 ” 题组二　电解原理的分析与运用 2 ． (2019 · 河南安阳调研 ) 某同学设计如图装置，探究氯碱工业原理，下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．石墨电极与直流电源的负极相连 B ．铜电极的电极反应式为 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ C ．氢氧化钠在石墨电极附近产生， Na ＋ 向石墨电极迁移 D ．用湿润的淀粉－ KI 试纸在铜电极附近检验气体，试纸变蓝色 B 　 解析 3 ．如图是一个用铂丝作电极，电解稀的 MgSO 4 溶液的装置，电解液中加有中性红指示剂，此时溶液呈红色。 ( 指示剂的 pH 变色范围： 6.8 ～ 8.0 ，酸色 — 红色，碱色 — 黄色， Mg(OH) 2 沉淀的 pH ＝ 9) ，接通电源一段时间后 A 管产生白色沉淀，回答下列问题： (1) 下列关于电解过程中电极附近溶液颜色变化的叙述正确的是 ________( 填编号 ) 。 ① A 管溶液由红变黄　② B 管溶液由红变黄　③ A 管溶液不变色　④ B 管溶液不变色 ①④ (2) 写出 A 管中发生的反应： _________________________________________ ________________________________________ 。 (3) 写出 B 管中发生的反应： ____________________________________________________________ 。 (4) 检验 b 管中气体的方法是 ______________________________________________________________________ 。 (5) 电解一段时间后，切断电源，将电解液倒入烧杯内观察到的现象是 ____________________________ 。 解析　 电解时，阳极上氢氧根离子放电生成氧气，导致阳极附近溶液呈酸性；阴极上氢离子放电生成氢气，同时有氢氧根离子生成，氢氧根离子和镁离子反应生成氢氧化镁沉淀，溶液呈弱碱性。 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ 、 Mg 2 ＋ ＋ 2OH － ===Mg(OH) 2 ↓ ( 或 2H 2 O ＋ 2e － ＋ Mg 2 ＋ ===H 2 ↑ ＋ Mg(OH) 2 ↓ ) 4OH － － 4e － ===2H 2 O ＋ O 2 ↑ ( 或 2H 2 O － 4e － ===O 2 ↑ ＋ 4H ＋ ) 用拇指堵住管口，取出试管，放开拇指，将带有火星的木条伸入试管内，木条复燃 溶液呈红色，白色沉淀溶解 1 ．计算类型 有关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 ． 三种方法 (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。 电化学计算的三种常见方法 　　 (2) 根据电子守恒计算 ①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。 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 Q ＝ I · t 和 Q ＝ n (e － ) × N A × 1.60 × 10 － 19 C 来计算电路中通过的电量。 题组一　根据总反应式建立等量关系进行计算 1 ．将两个铂电极插入 500 mL CuSO 4 溶液中进行电解，通电一定时间后，某一电极增重 0.064 g( 设电解时该电极无氢气逸出，且不考虑水解和溶液体积变化 ) ，此时溶液中氢离子浓度约为 ( 　　 ) A ． 4×10 － 3 mol/L 　　　 B ． 2×10 － 3 mol/L C ． 1×10 － 3 mol/L 　　　 D ． 1×10 － 7 mol/L A 　 解析 2 ．两个惰性电极插入 500 mL AgNO 3 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 H 2 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 ( 　　 ) A ． 27 mg 　　　 B ． 54 mg C ． 106 mg 　　　 D ． 216 mg B 　 解析 题组二　根据电子守恒突破电解分阶段计算 3 ． (2019 · 山东烟台调研 ) 把物质的量均为 0.1 mol 的 CuCl 2 和 H 2 SO 4 溶于水制成 100 mL 的混合溶液，用石墨作电极电解，并收集两电极所产生的气体，一段时间后在两极收集到的气体在相同条件下体积相同。则下列描述正确的是 ( 　　 ) A ．电路中共转移 0.6 N A 个电子 B ．阳极得到的气体中 O 2 的物质的量为 0.2 mol C ．阴极质量增加 3.2 g D ．电解后剩余溶液中硫酸的浓度为 1 mol · L － 1 答案　 A A 　 解析 题组三　根据电子守恒突破电解池的 “ 串联 ” 计算 5 ．甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料。下图是甲醇燃料电池工作的示意图，其中 A 、 B 、 D 均为石墨电极， C 为铜电极。工作一段时间后，断开 K ，此时 A 、 B 两极上产生的气体体积相同。 (1) 甲中负极的电极反应式为 _________________________________________ 。 (2) 乙中 A 极析出的气体在标准状况下的体积为 ________ 。 (3) 丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如下图，则图中 ② 线表示的是 ________ 的变化；反应结束后，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要 ________ mL 5.0 mol · L － 1 NaOH 溶液。 2.24 L 　 Fe 2 ＋ 　 280 串联装置图比较 图甲中无外接电源，二者必有一个装置是原电池 ( 相当于发电装置 ) ，为电解装置提供电能，其中两个电极活动性差异大者为原电池装置，即左图为原电池装置，右图为电解装置。图乙中有外接电源，两烧杯均作电解池，且串联电解，通过的电流相等。 考点二　电解原理在工业生产中的应用 氧化 还原 (3) 氯碱工业生产流程图 (4) 应用：氯碱工业制 __________ 、 __________ 和 __________ 。 烧碱 氯气 氢气 2 ． 电镀 如图为金属表面镀银的工作示意图，据此回答下列问题： (1) 镀件作 __________ 极，镀层金属银作 __________ 极。 (2) 电解质溶液是 _______________________________________ _____ 。 (3) 电极反应： 阳极： ________________________ ； 阴极： ________________________ 。 (4) 特点： __________ 极溶解， __________ 极沉积，电镀液的浓度 __________ 。 阴 　 阳 　 AgNO 3 溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液 　 Ag － e － ===Ag ＋ 　 Ag ＋ ＋ e － ===Ag 　 阳 　 阴 　 不变 　 3 ． 电解精炼铜 (1) 电极材料：阳极为 __________ ，阴极为 __________ 。 (2) 电解质溶液：含 Cu 2 ＋ 的盐溶液。 (3) 电极反应： 阳极： ________________________ 、 _____________________ 、 __________________ 、 ___________________________ ； 阴极： _________________________ 。 注意： 随着电解的进行，溶液中 Cu 2 ＋ 的浓度将减小。 粗铜 　 纯铜 　 Zn － 2e － ===Zn 2 ＋ 　 Fe － 2e － ===Fe 2 ＋ 　 Ni － 2e － ===Ni 2 ＋ 　 Cu － 2e － ===Cu 2 ＋ 　 Cu 2 ＋ ＋ 2e － ===Cu 　 4 ． 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。 [ 想一想 ] (1) 为什么电解熔融的 MgCl 2 制取单质镁而不电解熔融的 MgO? 提示： 因为 MgO 的熔点比 MgCl 2 的高，浪费能源，且电解熔融的 MgCl 2 还可得到副产物 Cl 2 。 (2) 为什么电解熔融的 Al 2 O 3 制取单质铝而不电解熔融的 AlCl 3 ? 提示： AlCl 3 是共价化合物，熔融状态不导电。 1 ． (2019 · 安徽淮北质检 ) 利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。下列说法正确的是 ( 　　 ) A ．氯碱工业中， X 电极上反应式是 4OH － － 4e － ===2H 2 O ＋ O 2 ↑ B ．电解精炼铜时， Z 溶液中的 Cu 2 ＋ 浓度不变 C ．在铁片上镀铜时， Y 是纯铜 D ．制取金属镁时， Z 是熔融的氯化镁 D 解析 氯碱工业中阳极是 Cl － 放电生成 Cl 2 ；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，阴极 Cu 2 ＋ 放电析出 Cu ，溶液中 Cu 2 ＋ 浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜。 2 ． (2019 · 辽宁沈阳一中检测 ) 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 Fe 2 ＋ Fe>Ni>Cu>Pt ，阴极的放电顺序为： Zn 2 ＋ 原电池原理引起的腐蚀 > 化学腐蚀 > 有防腐措施的腐蚀。 (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。 (5) 金属在外加电流的阴极保护法作用下腐蚀速率小于在牺牲阳极的阴极保护法作用下的腐蚀速率。 2 ． ( 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的判断 ) 如图所示装置中，有如下实验现象：开始时插在小试管中的导管内的液面下降，一段时间后导管内的液面回升，略高于试管中的液面。以下有关解释不合理的是 ( 　　 ) A ．生铁片中所含的碳能增强铁的抗腐蚀性 B ．雨水酸性较强，生铁片开始发生析氢腐蚀 C ．导管内液面回升时，正极反应式： O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － D ．随着反应的讲行， U 形管中雨水的酸性逐渐减弱 A 　 解析 铁的纯度越高，其抗腐蚀性能越强，纯铁比生铁耐腐蚀，是因为生铁片中的碳降低了铁的抗腐蚀性， A 错误；雨水的 pH ＝ 4 ，呈较强的酸性，生铁片在该雨水中先发生析氢腐蚀，正极反应为 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ ，由于生成 H 2 ，气体压强增大，开始时插在小试管中的导管内的液面下降， B 正确；随着反应的进行，雨水的酸性逐渐减弱，最后发生了吸氧腐蚀，正极反应式为 O 2 ＋ 2H 2 O ＋ 4e － ===4OH － ，导管内液面回升， C 正确；开始阶段正极上不断消耗 H ＋ ，则 U 形管中雨水的酸性逐渐减弱， D 正确。 正确判断 “ 介质 ” 溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。潮湿的空气、酸性很弱或中性溶液发生吸氧腐蚀；酸性较强的溶液发生析氢腐蚀。 3 ． ( 金属的防护 )(2018 · 辽宁大连期末 ) 2017 年 4 月 26 日，我国第一艘国产 001 A 型航母顺利建成下水，有盐分的海水和空气会对舰体造成腐蚀，因此舰体的防腐处理非常重要。下列关于金属腐蚀和防腐的说法错误的是 ( 　　 ) A ．可以在舰体外壳装上锌块，用牺牲阳极的阴极保护法防止金属腐蚀 B ．海上舰艇的腐蚀主要是金属的化学腐蚀 C ．刷防锈漆，使金属与空气、水等物质隔离，可防止金属被腐蚀 D ．外加电流，将需要保护的金属与电源的负极相连，可以起到保护金属的作用 B 　 解析 在舰体外壳装上锌块，发生电化学腐蚀时，由于 Zn 的活泼性强于 Fe ， Zn 作负极被腐蚀，而舰体作正极而受到保护，这种方法称为牺牲阳极的阴极保护法， A 正确；舰体浸在含盐分的海水中，由于海水呈弱碱性，则主要发生电化学腐蚀，即发生吸氧腐蚀， B 错误；刷防锈漆，使金属与空气、水等物质隔离，阻断金属发生腐蚀的条件，可防止金属被腐蚀， C 正确；将需要保护的金属与电源的负极相连，形成电解池，被保护金属作电解池的阴极，从而得到保护， D 正确。 1 ． (2018 · 北京卷， 12) 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 ) 。 探究高考 · 明确考向 下列说法不正确的是 ( 　　 ) A ．对比②③，可以判定 Zn 保护了 Fe B ．对比①②， K 3 [Fe(CN) 6 ] 可能将 Fe 氧化 C ．验证 Zn 保护 Fe 时不能用①的方法 D ．将 Zn 换成 Cu ，用①的方法可判断 Fe 比 Cu 活泼 D 　 解析 D 错： K 3 [Fe(CN) 6 ] 可将单质铁氧化为 Fe 2 ＋ ， Fe 2 ＋ 与 K 3 [Fe(CN) 6 ] 生成蓝色沉淀，附着在 Fe 表面，无法判断铁比铜活泼。 A 对：实验 ② 中加入 K 3 [Fe(CN) 6 ] ，溶液无变化，说明溶液中没有 Fe 2 ＋ ；实验 ③ 中加入 K 3 [Fe(CN) 6 ] 生成蓝色沉淀，说明溶液中有 Fe 2 ＋ 。 B 对：对比 ①② 可知， ① 中 K 3 [Fe(CN) 6 ] 可能将 Fe 氧化成 Fe 2 ＋ ， Fe 2 ＋ 再与 K 3 [Fe(CN) 6 ] 反应生成蓝色沉淀。 C 对：由以上分析可知，验证 Zn 保护 Fe 时，可以用 ②③ 做对比实验。 2 ． (2017 · 全国卷 Ⅱ ， 11) 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 H 2 SO 4 － H 2 C 2 O 4 混合溶液。下列叙述错误的是 ( 　　 ) A ．待加工铝质工件为阳极 B ．可选用不锈钢网作为阴极 C ．阴极的电极反应式为 Al 3 ＋ ＋ 3e － ===Al D ．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动 C 　 解析 A 对：该电解池阳极发生的电极反应为 2H 2 O － 4e － ===4H ＋ ＋ O 2 ↑ ，氧气将铝制品表面氧化形成致密的氧化膜，所以待加工铝质工件应为阳极。 B 对， C 错：阴极发生的电极反应为 2H ＋ ＋ 2e － ===H 2 ↑ ，阴极可选用不锈钢网作电极。 D 对：电解质溶液中的阴离子向阳极移动。 3 ． (2017 · 全国卷 Ⅰ ， 11) 支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是 ( 　　 ) A ．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B ．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C ．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D ．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整 C 　 解析 A 对：外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流。 B 对：被保护的钢管桩作阴极，高硅铸铁作阳极，电解池中外电路电子由阳极流向阴极，即从高硅铸铁流向钢管桩。 C 错：高硅铸铁为惰性辅助阳极，其主要作用是传递电流，而不是作为损耗阳极。 D 对：保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流，应根据环境条件变化进行调整。 4 ． (2016 · 北京卷， 12) 用石墨电极完成下列电解实验。 下列对实验现象的解释或推测不合理的是 ( 　　 ) A ． a 、 d 处： 2H 2 O ＋ 2e － ===H 2 ↑ ＋ 2OH － B ． b 处： 2Cl － － 2e － ===Cl 2 ↑ C ． c 处发生了反应： Fe － 2e － ===Fe 2 ＋ D ．根据实验一的原理，实验二中 m 处能析出铜 B 　 解析 A 项， a 、 d 处试纸变蓝，说明溶液显碱性，是溶液中的氢离子得到电子生成氢气，氢氧根离子剩余造成的，正确； B 项， b 处变红，局部褪色，说明是溶液中的氯离子放电生成氯气同时与 H 2 O 反应生成 HClO 和 H ＋ ， Cl － － 2e － ＋ H 2 O===HClO ＋ H ＋ ，错误； C 项， c 处为阳极，铁失去电子生成亚铁离子，正确； D 项，实验一中 ac 形成电解池， bd 形成电解池，所以实验二中形成三个电解池 ( 一个球两面为不同的电极 ) ， m 为电解池的阴极另一球朝 m 的一面为阳极 (n 的背面 ) 故相当于电镀，即 m 上有铜析出，正确。