第三單元電解池金屬的腐蝕與防護(hù),一 電解池的工作原理及應(yīng)用,二 金屬的腐蝕與防護(hù),教材研讀,突破一電解原理的應(yīng)用,突破二原電池、電解池、電鍍池的比較,重難突破,突破三電化學(xué)定量計算與“多池組合”電池,一、電解池的工作原理及應(yīng)用 1.電解原理 (1)概念 電解:在直流電的作用下,在兩電極上分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的過程。,教材研讀,電解池:將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置。 陽極:與電源的正極相連的電極。 陰極:與電源的負(fù)極相連的電極。 (2)電解池的組成條件 直流電源;兩個電極(活性電極或惰性電極);電解質(zhì)溶液(或熔融電解質(zhì));構(gòu)成閉合回路。,(3)電子流向 (4)電解結(jié)果 在兩極上發(fā)生氧化、還原反應(yīng),產(chǎn)生新的物質(zhì)。 陽極上發(fā)生氧化反應(yīng);陰極上發(fā)生還原反應(yīng)。,2.電解反應(yīng)方程式的書寫 步驟一:定離子,寫電極反應(yīng)。 先根據(jù)電解質(zhì)的電離、水的電離,找出溶液中所有的離子;再結(jié)合離子放電順序,找出放電的離子,寫出電極反應(yīng)。 如電解CuCl2溶液,溶液中有CuCl2電離出來的Cu2+、Cl-,水電離出來的H+、OH-;根據(jù)放電順序,放電能力是Cl- OH-,Cu2+H+,所以,陽極反應(yīng)為2Cl-2e-Cl2,陰極反 應(yīng)為Cu2+2e-Cu。,離子放電順序如下 (由難到易): 陽極(失電子):惰性電極(C、Pt)、F-、含氧酸根離子、OH-、Cl-、Br-、I-、 S2-、金屬電極 陰極(得電子):K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、H+(水)、Zn2+、Fe2+、Sn2+、Pb2+、H+(酸)、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ag+ 步驟二:兩電極反應(yīng)相加,得電解反應(yīng)方程式。 如電解CuCl2溶液,兩電極反應(yīng)相加得電解反應(yīng):Cu2+2Cl- Cu+Cl2。,3.電解原理的應(yīng)用 (1)冶煉活潑金屬 針對H+(水)之前的活潑金屬,應(yīng)該用非水溶液電解法冶煉。例如:,3.電解原理的應(yīng)用 (1)冶煉活潑金屬 針對H+(水)之前的活潑金屬,應(yīng)該用非水溶液電解法冶煉。例如:,(2)氯堿工業(yè) a.概念:用電解飽和食鹽水的方法來制取NaOH、Cl2和H2,并以它們?yōu)樵仙a(chǎn)一系列化工產(chǎn)品的工業(yè)體系,叫氯堿工業(yè)。 b.原理:陽極(石墨)為2Cl-2e-Cl2; 陰極(Fe)為2H+2e-H2; c.總反應(yīng)為2Cl-+2H2O Cl2+H2+2OH-。 裝置:離子交換膜電解槽。其中離子交換膜是陽離子交換膜,Na+可以移,向陰極,而OH-卻不能移向陽極。,二、金屬的腐蝕與防護(hù) 1.金屬的腐蝕 (1)化學(xué)腐蝕:金屬與其他物質(zhì)直接接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕。 (2)電化學(xué)腐蝕:不純的金屬或合金發(fā)生原電池反應(yīng),使較活潑的金屬失去電子被氧化而引起的腐蝕。電化學(xué)腐蝕又分為吸氧腐蝕和析氫腐蝕。,(3)吸氧腐蝕與析氫腐蝕(以鋼鐵為例),2.金屬的防護(hù) (1)改變金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu),使其穩(wěn)定。如制成不銹鋼(鉻鋼、鎳鋼)。 (2)覆蓋保護(hù)層,使金屬與電解質(zhì)溶液隔離,不能形成原電池。如涂油漆、涂油、電鍍、化學(xué)鍍、覆蓋搪瓷、表面鈍化(形成一層致密的氧化物保護(hù)膜)等。 (3)干燥,使其不能構(gòu)成原電池。 (4)犧牲陽極的陰極保護(hù)法。如輪船上鑲嵌鋅板、鋼閘門連鋅塊等,構(gòu)成原電池,比鐵活潑的鋅作負(fù)極。,(5)外加電流的陰極保護(hù)法被保護(hù)的金屬作陰極。,1.某小組為研究電化學(xué)原理,設(shè)計了甲、乙、丙三種裝置(C1、C2、C3均為石墨)。下列敘述正確的是(C),A.甲、丙中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,乙中電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 B.C1、C2分別是陽極、陰極;鋅片、鐵片上都發(fā)生氧化反應(yīng) C.C1上和C3上放出的氣體相同,銅片上和鐵片上放出的氣體也相同 D.甲中溶液的pH逐漸增大,丙中溶液的pH逐漸減小,2.用惰性電極進(jìn)行電解,下列說法正確的是(D) A.電解稀硫酸,實(shí)際上是電解水,故溶液的pH不變 B.電解稀氫氧化鈉溶液,要消耗OH-,故溶液的pH降低 C.電解硫酸鈉溶液,陰極上和陽極上生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為12 D.電解氯化銅溶液,陰極上和陽極上生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為11,3.用惰性電極電解物質(zhì)的量濃度相同、體積比為31的CuSO4溶液和NaCl溶液的混合溶液,不可能發(fā)生的反應(yīng)是(C) A.2Cu2+2H2O2Cu+4H+O2 B.Cu2+2Cl-Cu+Cl2 C.2Cl-+2H2O2OH-+H2+Cl2 D.2H2O2H2+O2,4.用惰性電極電解M(NO3)x的水溶液,當(dāng)陰極質(zhì)量增加a g時,在陽極上產(chǎn)生b L氧氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況),則M的相對原子質(zhì)量是(C) A.B.C.D.,突破一電解原理的應(yīng)用,重難突破,1.電解時電極產(chǎn)物的判斷,2.電極反應(yīng)式的書寫 (1)根據(jù)裝置書寫 根據(jù)電源確定陰、陽兩極確定陽極是否是活性電極根據(jù)電極類型及電解質(zhì)溶液中陰、陽離子的放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式。 在確保陰、陽兩極轉(zhuǎn)移電子數(shù)目相同的條件下,將兩極電極反應(yīng)式合并即得總反應(yīng)式。,(2)由氧化還原反應(yīng)方程式書寫電極反應(yīng)式 找出發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的物質(zhì)兩極名稱和反應(yīng)物利用得 失電子守恒分別寫出兩極反應(yīng)式。 若寫出一極反應(yīng)式,而另一極反應(yīng)式不好寫,可用總反應(yīng)式減去已寫出的電極反應(yīng)式即得另一電極反應(yīng)式。,3.電解方程式的書寫 (1)必須在等號上標(biāo)明通電或電解。 (2)只是電解質(zhì)被電解,電解方程式中只寫電解質(zhì)及電解產(chǎn)物。如電解CuCl2溶液:CuCl2 Cu+Cl2。 (3)只是水被電解,只寫水及電解產(chǎn)物即可。如電解稀硫酸、電解NaOH溶液、電解Na2SO4溶液時,電解方程式可以寫為2H2O 2H2+O2。 (4)電解質(zhì)、水同時被電解,則都要寫進(jìn)方程式。如電解飽和食鹽水:,2NaCl+2H2O H2+Cl2+2NaOH。,典例1某同學(xué)按如圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),A、B為兩種常見金屬,它們的硫酸鹽可溶于水。當(dāng)K閉合時,在陰離子交換膜處S從右向左移 動。下列分析正確的是(D),A.溶液中c(A2+)濃度減小 B.B極的電極反應(yīng)式B-2e-B2+ C.y電極上有H2產(chǎn)生,發(fā)生還原反應(yīng) D.反應(yīng)初期,x電極周圍出現(xiàn)白色膠狀沉淀,不久沉淀溶解,解析當(dāng)K閉合時,在陰離子交換膜處S從右向左移動,說明A為負(fù)極, B為正極,原電池中負(fù)極A上金屬失電子發(fā)生氧化反應(yīng),生成金屬陽離子進(jìn)入溶液導(dǎo)致溶液中c(A2+)增大,故A錯誤;B極溶液中的金屬陽離子得電子生成金屬單質(zhì),電極反應(yīng)式為B2+2e-B,故B錯誤;右側(cè)裝置中連接 B的y極為陽極,連接A的x極為陰極,電解池工作時,y極上氯離子失電子,發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2Cl-2e-Cl2,故C錯誤;右側(cè)裝置中x極 上發(fā)生的電極反應(yīng)為2H+2e-H2,由于氫離子放電而氫氧根離子,不放電導(dǎo)致溶液呈堿性,鋁離子和氫氧根離子反應(yīng)生成難溶性的氫氧化 鋁,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,氫氧根離子濃度變大,氫氧化鋁和氫氧根離子反應(yīng)生成偏鋁酸根離子,沉淀溶解,故D正確。,1-1某科研小組研究采用BMED膜堆(示意圖如下),模擬以精制濃海水為原料直接制備酸和堿。BMED膜堆包括陽離子交換膜、陰離子交換膜和雙極膜(A、D)。已知:在直流電源的作用下,雙極膜內(nèi)中間界面層中的水發(fā)生電離,生成H+和OH-。下列說法錯誤的是(B),A.電極a連接電源的正極 B.B為陽離子交換膜 C.電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液可避免有害 氣體的產(chǎn)生,D.口排出的是淡水,解析根據(jù)題干信息確定該裝置為電解池,陰離子向陽極移動,陽離子向陰極移動,所以電極a為陽極,連接電源的正極,A正確;水在雙極膜A內(nèi)電離后,氫離子吸引陰離子透過B膜到B膜左側(cè)形成酸,B為陰離子交換膜,B錯誤;電解質(zhì)溶液采用Na2SO4溶液,電解時生成氫氣和氧氣,可避免有害氣體的產(chǎn)生,C正確;海水中的陰、陽離子透過兩側(cè)交換膜向兩側(cè)移動,淡水從口排出,D正確。,1-2(1)二氧化氯(ClO2)為一種黃綠色氣體,是國際上公認(rèn)的高效、廣譜、快速、安全的殺菌消毒劑。目前已開發(fā)出用電解法制取ClO2的新工藝。,圖中用石墨作電極,在一定條件下電解飽和食鹽水制取ClO2。則陽極產(chǎn)生ClO2的電極反應(yīng)式為。 電解一段時間,當(dāng)陰極產(chǎn)生的氣體體積為112 mL(標(biāo)準(zhǔn)狀況)時,停止電解。通過陽離子交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為mol;用平衡移動原理解釋陰極區(qū)pH增大的原因:。,(2)為提高甲醇燃料的利用率,科學(xué)家發(fā)明了一種燃料電池,電池的一個電極通入空氣,另一個電極通入甲醇?xì)怏w,電解質(zhì)是摻入了Y2O3的ZrO2 晶體,在高溫下它能傳導(dǎo)O2-。電池工作時正極反應(yīng)式為。若以該電池為電源,用石墨作電極電解100 mL含有以下離子的溶液。,電解一段時間后,當(dāng)兩極收集到相同體積(相同條件)的氣體時(忽略溶液體積的變化及電極產(chǎn)物可能存在的溶解現(xiàn)象),陽極上收集到氧氣的物質(zhì)的量為mol。 答案(1)Cl-5e-+2H2OClO2+4H+0.01在陰極發(fā)生反應(yīng)2 H+2e-H2,H+濃度減小,使H2OH+OH-的平衡向右移動,OH-濃 度增大,pH增大 (2)O2+4e-2O2-0.1,解析(1)陽極失去電子,發(fā)生氧化反應(yīng)。水電離產(chǎn)生的H+在陰極上放電產(chǎn)生氫氣,轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量n(e-)=2n(H2)=2(0.112 L22.4 Lmol-1)=0.01 mol,則在內(nèi)電路中移動的電荷為0.01 mol,每個Na+帶一個單位的正電荷,則通過的Na+為0.01 mol。(2)電池工作時,正極上O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成O2-。結(jié)合離子濃度可知電解過程可分為三個階段:先是電解CuCl2、然后電解HCl、最后電解水,由此可見陰極首先析出 0.1 mol Cu(同時陽極生成0.1 mol Cl2),然后生成氫氣;陽極上先是生成 0.2 mol Cl2(此時陰極已生成0.1 mol H2),再生成氧氣,設(shè)陽極生成x mol O2,時兩極生成氣體體積相等,由題意可得:0.2+x=0.1+2x,解得x=0.1。,突破二原電池、電解池、電鍍池的比較,典例2如圖所示,某同學(xué)設(shè)計了一個燃料電池并探究氯堿工業(yè)原理和粗銅的精煉原理,其中乙裝置中X為陽離子交換膜。請按要求回答相關(guān)問題:,(1)甲烷燃料電池負(fù)極反應(yīng)式是。 (2)石墨(C)極的電極反應(yīng)式為。 (3)若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下,有2.24 L氧氣參加反應(yīng),則乙裝置中鐵極上生成的氣體體積為L;丙裝置中陰極析出銅的質(zhì)量為g。 (4)某同學(xué)利用甲烷燃料電池設(shè)計電解法制取漂白液或Fe(OH)2的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。,若用于制漂白液,a為電池的極,電解質(zhì)溶液最好用。 若用于制Fe(OH)2,使用硫酸鈉作電解質(zhì)溶液,陽極選用作電極。,答案(1)CH4-8e-+10OH- C+7H2O (2)2Cl-2e- Cl2 (3)4.4812.8 (4)負(fù)飽和氯化鈉溶液或食鹽水鐵,解析(1)甲烷燃料電池負(fù)極上發(fā)生氧化反應(yīng),即甲烷在負(fù)極上被氧化,在KOH溶液中甲烷被氧化的產(chǎn)物為碳酸鉀,負(fù)極反應(yīng)式為CH4-8e-+10OH- C+7H2O。(2)原電池的負(fù)極與電解池的陰極相接,鐵極為陰 極,則C極為陽極,在C極上發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)式為2Cl-2e- Cl2 。(3)n(O2)=0.1 mol,甲池中正極反應(yīng)式為O2+4e-+2H2O 4OH-,經(jīng)過甲、乙、丙裝置的電子的物質(zhì)的量為0.4 mol。鐵極為 陰極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為2H2O+2e- 2OH-+H2,n(H2)=,=0.2 mol,V(H2)=0.2 mol22.4 Lmol-1=4.48 L。丙池中精銅為陰 極,發(fā)生還原反應(yīng),電極反應(yīng)式為Cu2+2e- Cu,n(Cu)=0.2 mol, m(Cu)=0.2 mol64 gmol-1=12.8 g。(4)漂白液的有效成分是次氯酸鈉,制備原理是2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2+H2,Cl2+2OH- Cl-+ClO-+H2O,氣體與液體反應(yīng),氣體應(yīng)在下端產(chǎn)生,所以該裝置的B端為陽極,A端為陰極,陰極與電源負(fù)極相連,故a極為負(fù)極;電解質(zhì)溶液最好用飽和氯化鈉溶液。若制備氫氧化亞鐵,用硫酸鈉溶液作電解質(zhì)溶液,應(yīng)選用鐵作陽極。,2-1某同學(xué)用下圖所示裝置進(jìn)行銅的電解精煉實(shí)驗(yàn)(粗銅中有鋅、鐵、鎳、銀等雜質(zhì),部分導(dǎo)線未畫出),下列說法正確的是(B) A.a應(yīng)與c相連接,b應(yīng)與d相連接 B.電解一段時間,b與d兩極析出物質(zhì)的物 質(zhì)的量相等 C.電解一段時間,b極附近溶液的pH減小 D.電解過程中,Y池中Cu2+的濃度始終不變,解析X池中Zn為負(fù)極,接Y池的純銅,X池中Cu為正極,接Y池的粗銅,故A錯誤;b極電極反應(yīng)式為2H+2e- H2,d極電極反應(yīng)式為Cu2+2e- Cu,所以電解一段時間后,b、d兩極析出物質(zhì)的物質(zhì)的量相同,故B 正確;b極電極反應(yīng)式為2H+2e- H2,電解一段時間后b極附近溶液 pH增大,故C錯誤;粗銅中含有鋅、鐵、鎳等雜質(zhì),電解過程中Y池中Cu2+濃度減小,故D錯誤。,2-2依據(jù)下面的甲、乙、丙三圖,判斷下列敘述不正確的是(B) A.甲是原電池,乙是電鍍裝置 B.甲、乙裝置中,鋅極上均發(fā)生氧化反應(yīng) C.乙裝置中,銅極因發(fā)生氧化反應(yīng)而溶解 D.乙裝置中,c(Cu2+)不變,丙裝置中,c(Cu2+)減小,解析甲是銅鋅原電池,乙是在Zn片上鍍銅的電鍍池,丙是銅的精煉裝置。,突破三電化學(xué)定量計算與“多池組合”電池 電化學(xué)定量計算的方法,典例3用石墨作電極電解200 mL CuSO4溶液,電解過程中電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量n(e-)與產(chǎn)生氣體的體積V(標(biāo)準(zhǔn)狀況)的關(guān)系如圖所示(假設(shè)溶液體積不變)。下列說法正確的是(C),A.電解前CuSO4溶液中溶質(zhì)的物質(zhì)的量濃度為2 molL-1 B.電解后所得溶液中c(H+)=4 molL-1 C.當(dāng)n(e-)=0.6 mol時,V(H2)V(O2)=23 D.向電解后的溶液中加入16 g CuO,則溶液可恢復(fù)為電解前的濃度,解析從曲線的變化趨勢可知,當(dāng)轉(zhuǎn)移0.4 mol e-時,CuSO4消耗完,由Cu2+2e- Cu可求得電解前CuSO4的物質(zhì)的量為0.2 mol,其濃度為1 molL-1, A錯誤。電解后得到稀硫酸,根據(jù)硫原子守恒可知n(H2SO4)=0.2 mol, n(H+)=0.4 mol,則c(H+)=2 molL-1,B錯誤。當(dāng)n(e-)=0.6 mol時,陰極先發(fā)生反應(yīng):Cu2+2e- Cu(轉(zhuǎn)移0.4 mol e-),再發(fā)生反應(yīng):2H+2e- H2,生 成0.1 mol H2,陽極只發(fā)生反應(yīng):2H2O-4e-4H+O2,生成0.15 mol O2, 故V(H2)V(O2)=23,C正確。如果電解過程中僅發(fā)生反應(yīng):2CuSO4+ 2H2O 2Cu+2H2SO4+O2,加入0.2 mol CuO可使電解質(zhì)溶液恢復(fù)為電,解前的濃度,實(shí)際上電解后期還發(fā)生反應(yīng):2H2O 2H2+O2,故D錯誤。,3-1用惰性電極電解100 mL 3 molL-1的Cu(NO3)2溶液,一段時間后在陽極收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體1.12 L,停止電解,向電解后的溶液中加入足量的鐵粉,充分作用后溶液中Fe2+濃度為(設(shè)溶液體積不變)(B) A.3 molL-1B.2.75 molL-1 C.2 molL-1D.3.75 molL-1,解析陽極反應(yīng)式為2H2O-4e-4H+O2,陰極反應(yīng)式為Cu2+2e- Cu,陽極生成的氣體為氧氣,氧氣的物質(zhì)的量為1.12 L22.4 L mol-1=0.05 mol,則電解后溶液中生成的HNO3的物質(zhì)的量為0.2 mol,電解后溶液中硝酸銅的物質(zhì)的量為0.1 L3 molL-1-0.1 mol =0.2 mol,硝酸與足量的鐵反應(yīng)生成硝酸亞鐵,反應(yīng)的化學(xué)方程式為8HNO3+3Fe3Fe(NO3)2+2 NO+4H2O,故0.2 mol HNO3與Fe反應(yīng)生成Fe(NO3)2的物質(zhì)的量為0.2 mol=0.075 mol,硝酸銅與鐵反應(yīng)生成硝酸亞鐵,離子方程式為Fe+Cu2+ Fe2+Cu,故0.2 mol硝酸銅與Fe反應(yīng)生成Fe(NO3)2的物質(zhì)的量為0.2,mol,反應(yīng)后溶液中Fe2+的物質(zhì)的量為0.2 mol+0.075 mol=0.275 mol,Fe2+濃度為=2.75 molL-1,選B。,3-2某小組用下圖裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),下列說法正確的是(D),A.鹽橋中的電解質(zhì)可以用KCl B.閉合K,外電路電流方向?yàn)镕e電極石墨電極 C.閉合K,石墨電極上只生成銅 D.導(dǎo)線中通過0.15 mol e-時,向CuSO4溶液中加入5.55 g Cu2(OH)2CO3,CuSO4溶液可恢復(fù)原組成,解析由于KCl能和AgNO3反應(yīng)產(chǎn)生沉淀,因此鹽橋中的電解質(zhì)不能用KCl,故A錯誤;閉合K,鐵比銀活潑,鐵為負(fù)極,與鐵相連的石墨為陰極,所以外電路電流方向?yàn)槭姌OFe電極,故B錯誤;閉合K,與鐵相連的石墨為陰極,發(fā)生還原反應(yīng),首先發(fā)生Cu2+2e- Cu,析出Cu,待Cu2+消耗 完后發(fā)生2H+2e- H2,放出氫氣,故C錯誤;CuSO4溶液中n(Cu2+)=0.0 5 mol,完全消耗時轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.1 mol,導(dǎo)線中通過0.15 mol e-,說明有H+在陰極放電,電解CuSO4溶液的總反應(yīng)式為2Cu2+2H2O 2Cu+O2+ 4H+,溶液中減少的是2Cu和O2(相當(dāng)于2CuO),需要補(bǔ)充0.05 mol CuO,電,解水的總反應(yīng)式為2H2O 2H2+O2,轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.05 mol時消耗 0.025 mol H2O,Cu2(OH)2CO3可寫為2CuOH2OCO2,所以向CuSO4溶液中加入0.025 mol222 g/mol=5.55 g Cu2(OH)2CO3,CuSO4溶液可恢復(fù)原組成,故D正確。,