第17讲电解池金属的腐蚀与防护（讲）-2023年高考化学一轮复习讲练测（原卷版）_05高考化学_新高考复习资料_2023年新高考资料_一轮复习

第 17 讲 电解池 金属的腐蚀与防护 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。 【核心素养分析】 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。 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 ①有与电源相连的两个电极。 ②电解质溶液(或熔融电解质)。 ③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CuCl 溶液为例) 2 总反应式：CuCl =====Cu＋Cl↑ 2 2(2)电子和离子的移动方向 ①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。 ②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 ①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。② 最常用、最重要的放电顺序为阳极：Cl－>OH－；阴极：Ag＋>Cu2＋>H＋。③电解水溶液时，K＋～Al3＋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 含氧酸 HSO 溶液中的H＋和OH 减小 2 4 －分别在阴阳两极放 强碱 NaOH 增大 电： H 电解 2 阴极：4H＋＋4e－ 水 水型 活泼金属的 KNO ===2H 2 ↑ O 2 不变 含氧酸盐 3 阳极： 4OH－－4e－ ===2HO＋O↑ 2 2 无氧酸(氢 电解质电离的阴阳 HCl H Cl 增大 HCl 电解 氟酸除外) 离子分别在两极放电： 2 2 电解 质型 不活泼金属 阳极：2Cl－－2e－ CuCl Cu Cl CuCl 的无氧酸盐 2 ===Cl ↑ 2 2 2 放氢 阴极水电离的H＋ 阴极：H 活泼金属的 2 生碱 NaCl 放电，阳极电解质电离 增大 HCl 无氧酸盐 型 的阴离子放电 阳极：Cl 2 阳极水电离的OH－放 放氧 不活泼金属 电，阴极电解质的阳离 Ag阳 生酸 的含氧酸盐 AgNO 3 子放电 极：O 减小 Ag 2 O 性 2 阴极：Ag＋＋e－===Ag 知识点二 电解原理的应用 1.氯碱工业阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl ↑(氧化反应) 2 阴极反应式：2H＋＋2e－===H↑(还原反应) 2 总反应方程式： 2NaCl＋2HO=====2NaOH＋H↑＋Cl↑ 2 2 2 2.电镀与电解精炼 电镀 电解精炼铜 示意图 阳极 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋ 电极反应 阴极 Cu2＋＋2e－===Cu Cu2＋＋2e－===Cu 电解质溶液的浓度变化 CuSO 溶液的浓度不变 CuSO 溶液的浓度变小 4 4 3.电冶金 电解冶炼 冶炼钠 冶炼铝 阳极：2Cl－－2e－===Cl ↑ 阳极：6O2－－12e－===3O↑ 2 2 电极反应 阴极：2Na＋＋2e－===2Na 阴极：4Al3＋＋12e－===4Al 总反应 2NaCl(熔融)=====2Na＋Cl↑ 2Al O(熔融)=====4Al＋3O↑ 2 2 3 2 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(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 负极 Fe－2e－===Fe2＋ 电极反应 正极 2H＋＋2e－===H↑ O＋2HO＋4e－===4OH－ 2 2 2 总反应式 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H↑ 2Fe＋O＋2HO===2Fe(OH) 2 2 2 2 联系 吸氧腐蚀更普遍 3.金属的防护 (1)电化学防护 ①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。 ②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。 高频考点一 电解原理 【例1】（2022·广东卷）以熔融盐为电解液，以含 和 等的铝合金废料为阳极进行电解， 实现 的再生。该过程中 A. 阴极发生的反应为 B. 阴极上 被氧化 C. 在电解槽底部产生含 的阳极泥 D. 阳极和阴极的质量变化相等 【变式探究】（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Cl－氧化生成Cl 的反应 2 B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO C．阴极生成的H 应及时通风稀释安全地排入大气 2 D．阳极表面形成的Mg(OH) 等积垢需要定期清理 2 【变式探究】（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( ) A．阳极反应为2HO－4e－===4H＋＋O↑ 2 2 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O 与b极反应的O 等量 2 2 高频考点二 电极反应式的书写与判断 【例2】（2022·浙江卷）通过电解废旧锂电池中的 可获得难溶性的 和 ，电解 示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒，但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。 下列说法不正确的是 A.电极A为阴极，发生还原反应 B.电极B的电极发应： C.电解一段时间后溶液中 浓度保持不变 D.电解结束，可通过调节 除去 ，再加入 溶液以获得 【方法技巧】①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。 如用惰性电极电解食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－===H↑(或2HO＋2e－===H↑＋2OH－)；总反应 2 2 2 离子方程式为2Cl－＋2HO=====2OH－＋H↑＋Cl↑。 2 2 2 ②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。 ③Fe3＋在阴极上放电时生成Fe2＋而不是得到单质Fe。 【变式探究】（2021·广东卷）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，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大 B．生成1 mol Co，Ⅰ室溶液质量理论上减少16 g 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：2Co2＋＋2HO=====2Co＋O↑＋4H＋ 2 2 高频考点三 电子守恒在电化学计算中的应用 【例3】（2022·山东卷）设计如图装置回收金属钴。保持细菌所在环境pH稳定，借助其降解乙酸盐 生成 ，将废旧锂离子电池的正极材料 转化为 ，工作时保持厌氧环境，并定时将乙室 溶液转移至甲室。已知电极材料均为石墨材质，右侧装置为原电池。下列说法正确的是 A. 装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大 B. 装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸 C. 乙室电极反应式为 D. 若甲室 减少 ，乙室 增加 ，则此时已进行过溶液转移【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 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。 【变式探究】(2021·全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如下图所示的电化学装置合成。 图中的双极膜中间层中的HO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 2 是( ) A．KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用 C．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 【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CuSO 的混合溶液，理论上两极所得气体的体积随时间变 4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)。 ①原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为_____mol·L－1，CuSO 的物质的量浓度为______mol·L－1。 4 ②t 时所得溶液的pH＝________。 2 (2)乙槽为200 mL CuSO 溶液，乙槽内电解的总离子方程式：_____________________： 4 ①当C极析出0.64 g物质时，乙槽溶液中生成的HSO 为________mol。电解后，若使乙槽内的溶液完 2 4 全复原，可向乙槽中加入________(填字母)。 A．Cu(OH) B．CuO 2 C．CuCO D．Cu (OH) CO 3 2 2 3 ②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) 才能恰好恢复到电解前的浓度，则 2 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】 (2022·北京卷)利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。 序 装置示意图 电解质溶液 实验现象 号 阴极表面有无色气体，一段时间 ① 后阴极表面有红色固体，气体减 少。经检验电解液中有 阴极表面未观察到气体，一段时 ② 间后阴极表面有致密红色固体。 经检验电解液中无 元素 下列说法不正确的是 A. ①中气体减少，推测是由于溶液中 减少，且 覆盖铁电极，阻碍 与铁接触 B. ①中检测到 ，推测可能发生反应： C. 随阴极析出 ，推测②中溶液 减少， 平衡逆移 D. ②中 生成 ，使得 比①中溶液的小， 缓慢析出，镀层更致密 【变式探究】(2021·广东卷)环氧乙烷(C HO)常用于医用消毒，一种制备方法为：使用惰性电极电解 2 4 KCl溶液，用Cl－交换膜将电解液分为阴极区和阳极区，其中一区持续通入乙烯；电解结束，移出交换膜， 两区混合反应： HOCH CHCl＋OH－===Cl－＋HO＋C HO。下列说法错误的是( ) 2 2 2 2 4 A．乙烯应通入阴极区 B．移出交换膜前存在反应Cl＋HOHCl＋HClO 2 2C．使用Cl－ 交换膜阻止OH－ 通过，可使Cl 生成区的pH逐渐减小 2 D．制备过程的总反应为HC===CH ＋HO===H ↑＋C HO 2 2 2 2 2 4 【举一反三】(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。下图是某电致 变色器件的示意图。当通电时，Ag＋注入到无色WO 薄膜中，生成AgWO，器件呈现蓝色，对于该变化 3 x 3 过程，下列叙述错误的是( ) A．Ag为阳极 B．Ag＋由银电极向变色层迁移 C．W元素的化合价升高 D．总反应为WO＋xAg===AgWO 3 x 3 【变式探究】(2020·全国卷Ⅱ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Ⅱ节选)CH 和CO 都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合 4 2 转化，其原理如图所示： ①阴极上的反应式为_____________________________________________________。 ②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH 和CO 体积比为________。 4 2 高频考点五 金属腐蚀与防护 【例5】（2022·广东卷）为检验牺牲阳极的阴极保护法对钢铁防腐的效果，将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的 溶液中。一段时间后，取溶液分别实验，能说明铁片没有被腐蚀的是 A. 加入 溶液产生沉淀 B. 加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现 C. 加入 溶液无红色出现 D. 加入 溶液无蓝色沉淀生成 【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】（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 【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。下列有关该实验的说法正确的是 A．铁被氧化的电极反应式为Fe−3e−===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