电解池 技术的电化学腐蚀与防护.docx

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电解池技术的电化学腐蚀与防护

第2节电解池金属的电化学腐蚀与防护

★考纲要求

1．了解电解池的工作原理，能写出电极反应式和总反应方程式。

2．理解金属发生电化学腐蚀的原因，金属腐蚀的危害，防止金属腐蚀的措施。

★高考动向

本节在高考中的考点主要有：

一是电解池的工作原理，如电解池阳阴极的判断、电极反应式的书写及溶液pH的变化等；二是电解规律及其应用，如氯碱工业、粗铜的精炼、电镀等；三是金属腐蚀的原因和金属的防护措施。

预计将电化学、元素及其化合物、有机化学、电解质溶液、化学实验设计、化学计算等知识融合在一起进行综合考查，是今后高考命题的趋势。

★基础知识梳理

一、电解原理

1．电解

使电源通过电解质溶液（或熔融的电解质）而在阳极和阴极引起氧化还原反应的过程。

2．电解池（也叫电解槽）

把电能转变为化学能的装置。

3．电解池的组成和工作原理（用石墨电极电解CuCl2溶液）

⑤阴极　⑥还原反应　⑦Cu2＋＋2e－===Cu　⑧该电极上有红色物质生成　⑨阳极　⑩氧化反应　⑪2Cl－－2e－===Cl2↑　⑫刺激性　⑬变蓝

总反应式：

CuCl2

Cu＋Cl2↑

思考1　电解质溶液导电时，一定会有化学反应发生吗？

【提示】　一定有化学反应发生，因为在电解池的两极发生了氧化还原反应，有电子转移，生成了新物质，所以一定有化学反应发生。

二、电解原理的应用

1．电解饱和食盐水

（1）电极反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

　　　　　　阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

（2）总反应方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

（3）应用：

氯碱工业制NaOH、H2和Cl2。

2．电镀

（1）电极材料

阳极：

镀层金属

阴极：

镀件（或待镀金属）

（2）电解质溶液：

含含镀层金属离子的溶液

（3）特点：

阳极质量减少，阴极质量增加，电解质溶液浓度不变。

3．电解精炼铜

（1）电极材料

阳极：

粗铜（含Zn、Fe、Ni、Cu、Ag、Au）

阴极：

纯铜

（2）电解质溶液：

含Cu2＋的盐溶液

（3）电极反应

阳极：

Zn－2e－==Zn2＋　Fe－2e－==Fe2＋　Ni－2e－==Ni2＋　Cu－2e－==Cu2＋

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu

（4）特点：

阳极：

质量减少，最后阳极金属为Ag、Au成为阳极泥。

阴极：

质量增加，最后得到纯铜。

电解质溶液：

增加Zn2＋，减少Cu2＋（但一般变化不大）

最后溶液中含有Zn2＋　Fe2＋　Ni2＋　Cu2＋等金属离子。

4．电解冶炼

利用电解熔融盐的方法冶炼Na、Mg、Al等活泼金属；冶炼Na。

（以电解熔融NaCl为例）

①电极反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2Na＋＋2e－===2Na

②总反应：

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

思考2　电解进行时，溶液中的离子浓度一定会减小吗？

【提示】　不一定，有的减小，用惰性电极电解CuCl2溶液时，因为Cu2＋、Cl－均发生电极反应被消耗，最终CuCl2溶液一定变稀。

还有的浓度要变大，如电解Na2SO4、NaOH等，实际消耗了水。

还有的浓度不变，如恒温下电解饱和Na2SO4溶液。

三、金属的腐蚀与防护

1．金属的腐蚀

金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。

（1）化学腐蚀：

金属与接触的物质直接发生化学反应而引起的腐蚀。

（2）电化学腐蚀：

不纯的金属跟电解质溶液接触发生原电池反应，较活泼的金属被氧化的腐蚀。

2．金属的防护

（1）电化学防护

①牺牲阳极的阴极保护法，如在船舶的外壳装上锌块：

锌作原电池的负极（阳极），铁作为原电池的正极（阴极）。

②外加电源的阴极保护法，如钢闸门被保护：

阳极为惰性电极，与电源正极相连；阴极为钢闸门与电源负极相连。

（2）改变金属的内部结构，如不锈钢。

（3）加防护层，如喷油漆等。

★高考高频考点

考点一原电池、电解池、电镀池的比较

类别

性质　

原电池

电解池

电镀池

定义（装置特点）

将化学能转变成电能的装置

将电能转变成化学能的装置

应用电解原理在某些金属表面镀上一层其他金属的装置

反应特征

自发反应

非自发反应

非自发反应

装置特征

无电源，两极材料不同

有电源，两极材料可同可不同

有电源

形成

条件

①活动性不同的两极（连接）

②电解质溶液（两极插入其中并与电极发生自发反应）③形成闭合回路

①两电极连接电源

②两电极插入电解质溶液中

③形成闭合回路

①镀层金属接电源正极，待镀金属接电源负极

②电镀液必须含有镀层金属的离子

电极名称（电极构成）

负极：

较活泼的金属（电子流出的极）

正极：

较不活泼的金属或能导电的非金属（电子流入的极）

阳极：

与电源正极相连的极

阴极：

与电源负极相连的极

名称同电解，但是有限制条件

阳极：

必须是镀层金属

阴极：

镀件

电极

反应

负极：

氧化反应，金属直接失电子

正极：

还原反应，溶液中的阳离子得电子或者氧气得电子（吸氧腐蚀）

阳极：

氧化反应，溶液中的阴离子失电子，或电极金属直接失电子

阴极：

还原反应，溶液中的阳离子得电子

阳极：

金属电极失电子

阴极：

电镀液中阳离子得电子

电子流向

负极→正极

电源负极→阴极，阳极→电源正极

（同电解池）

溶液中带电粒子的移动

阳离子向正极移动阴离子向负极移动

阳离子向阴极移动阴离子向阳极移动

（同电解池）

例1　（2011·广东理综）某小组为研究电化学原理，设计下图装置，下列叙述不正确的是（　　）

A．a和b不连接时，铁片上会有金属铜析出

B．a和b用导线连接时，铜片上发生的反应为：

Cu2＋＋2e－===Cu

C．无论a和b是否连接，铁片均会溶解，溶液均从蓝色逐渐变成浅绿色

D．a和b分别连接直流电源正、负极，电压足够大时，Cu2＋向铜电极移动

解析　a和b不连接时，铁与CuSO4溶液发生反应：

Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，A项正确；a和b用导线连接时，组成了原电池，Fe为负极，Cu为正极，铜片上发生还原反应：

Cu2＋＋2e－===Cu，铁片上发生氧化反应：

Fe－2e－===Fe2＋，B项正确；通过以上分析可知，无论a和b是否连接，均发生反应：

Fe＋Cu2＋===

Fe2＋＋Cu，故溶液均从蓝色（Cu2＋的颜色）逐渐变成浅绿色（Fe2＋的颜色），C项正确；a和b分别连接直流电源正、负极时，构成电解池，铜片为阳极，铁片为阴极，Cu2＋应向阴极（铁电极）移动，D项错误。

互动训练1　下列有关电化学的示意图中正确的是（　　）

解析　选项A，Zn应为原电池负极，Cu为原电池正极。

选项B，盐桥两边的烧杯中盛装的电解质溶液应互换。

选项C，粗铜应连接电源正极。

选项D，电解饱和NaCl溶液，Cl－在阳极放电产生Cl2，溶液中的H＋在阴极获得电子而产生H2，正确。

答案　D

考点二以惰性电极电解电解质溶液的规律

1.电解时电极产物的判断

2．用惰性电极电解电解质溶液的规律如下表所示

特别提醒：

（1）若阴极为H＋放电，则阴极区c（OH－）增大；若阳极为OH－放电，则阳极区

c（H＋）增大；若阴极、阳极同时有H＋、OH－放电，相当于电解水，电解质溶液浓度增大。

（2）当电解过程中电解的是水和电解质时，电极反应式中出现的是H＋或OH－放电，但在书写总反应式时要将反应物中的H＋或OH－均换成水，在生成物中出现的是碱或酸，同时使阴极、阳极反应式得失电子数目相同，将两个电极反应式相加，即得总反应的化学方程式。

（3）用惰性电极电解时，若要使电解后的溶液恢复到原状态，应遵循“缺什么加什么，缺多少加多少”的原则，一般加入阴极产物与阳极产物的化合物。

例2　Cu2O是一种半导体材料，基于绿色化学理念设计的制取Cu2O的电解池示意图如图，电解总反应为：

2Cu＋H2O

Cu2O＋H2↑。

下列说法正确的是（　　）

A．石墨电极上产生氢气

B．铜电极发生还原反应

C．铜电极接直流电源的负极

D．当有0.1mol电子转移时，有0.1molCu2O生成

解析　本题主要考查电化学的基础知识，意在考查考生的分析推理能力和实际运用知识的能力。

由电解总反应可知，Cu参加了反应，所以Cu作电解池的阳极，发生氧化反应，B选项错误；石墨作阴极，电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，A选项正确；阳极与电源的正极相连，C选项错误；阳极反应为2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O，当有0.1mol电子转移时，有0.05molCu2O生成，D选项错误。

答案　A

【方法规律】　电解池原理分析五步法

第一步：

看。

看电极材料是惰性电极（如石墨、铂等），还是活泼电极（如Cu、Fe等），惰性电极不参加阳极的氧化反应，活泼电极参加阳极的电极反应。

第二步：

离。

写出包括水在内的所有电解质的电离方程式。

第三步：

分。

将离子分成阳离子组和阴离子组，阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动，根据得失电子能力将离子排序。

第四步：

写。

根据阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应书写。

第五步：

析。

根据电极反应式分析电极、电解质溶液变化并进行有关计算。

互动训练2　（2012·宁德质检）现有Cu2＋、Cl－、Na＋、SO

、Zn2＋两两组成的电解质溶液若干种，可选用铜电极、铂电极、锌电极进行电解实验。

（1）以________作阳极电解________溶液时，溶液的pH有明显升高，且溶液保持澄清。

（2）以________作阳极电解________溶液时，溶液的pH有明显下降。

（3）为使电解过程中溶液的浓度保持不变，应以铜为阳极电解________溶液，或以________为阳极电解________溶液。

（4）以铜为阳极电解________或________溶液，均可得到氢氧化物沉淀。

解析　

（1）电解氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。

（2）电解硫酸铜溶液时，阴极Cu2＋得电子，被还原，而阳极水（氢氧根）失电子，得到氧气，溶液中富余H＋。

（3）Cu做阳极，被氧化，Cu2＋进入溶液中，故电解的溶液为硫酸铜溶液。

以铜为阳极电解NaCl、Na2SO4时，可以得到Cu（OH）2沉淀，反应的总化学方程式为Cu＋2H2O===Cu（OH）2＋H2↑。

答案　

（1）铂　NaCl　

（2）铂　CuSO4　（3）CuSO4　Zn　ZnCl2（或ZnSO4）　（4）NaCl　Na2SO4

考点三有关电化学的计算

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测定的计算、根据电荷量求产物的量与根据产物的量求电荷量等。

不论哪类计算，均可以概括为下列三种方法：

①根据电子守恒法计算：

用于串联电路、阴阳两极产物、正负两极产物、电荷量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。

②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比例式计算。

③根据关系式计算：

根据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁，建立计算所需的关系式。

例3　如图所示装置中，甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g5.00%的NaOH溶液、足量的CuSO4溶液和100g10.00%的K2SO4溶液，电极均为石墨电极。

（1）接通电源，经过一段时间后，测得丙中K2SO4溶液的浓度为10.47%，乙中c电极质量增加。

据此回答问题：

①电源的N极为________（填“正”或“负”）极；

②电极b上发生的电极反应为_________________；

③列式计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积：

____________________；

④电极c的质量变化是________g；

⑤电解前后各溶液的酸、碱性是否发生变化，简述其原因：

甲溶液____________________________________；

乙溶液_____________________________________；

丙溶液_____________________________________。

（2）如果电解过程中铜全部析出，此时电解能否继续进行，为什么？

_______________________________________________。

解析　c电极质量增加说明c处有Cu析出，即c为阴极，由此可推出b为阳极（OH－失电子）、a为阴极、M为负极、N为正极。

丙中K2SO4溶液浓度的变化是此题计算的关键。

电解K2SO4溶液相当于电解水，根据溶质守恒有：

100g×10.00%＝[100g－m（水）]×10.47%，得m（水）≈4.5g，即电解水0.25mol。

根据电子守恒有如下关系：

2H2O（丙）　～　4e－　～　O2（b极）　～　2Cu（c极）

2mol22.4L2×64g

0．25molV（O2）m（Cu）

解得：

V（O2）＝2.8L　m（Cu）＝16g

答案　

（1）①正　②4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

③水减少的质量：

100g×（1－

）≈4.5g

生成O2体积：

×

×22.4L·mol－1＝2.8L

④16

⑤碱性增强，电解后，水量减少，溶液中NaOH浓度增大

酸性增强，阳极上OH－生成O2，溶液中H＋浓度增大

酸碱性强弱没有变化，K2SO4是强酸强碱盐，浓度增大不影响溶液的酸碱性

（2）能继续进行，乙中溶液已转变为H2SO4溶液，也就变为电解水的反应

互动训练3　（2012·诸城调研）如下图为相互串连的甲乙两个电解池，X、Y为直流电源的两个电极。

电解过程中，发现石墨电极附近先变红。

请回答：

（1）电源X极为________极（填“正”或“负”），乙池中Pt电极上的电极反应式为____________________________________________。

（2）甲池若为电解精炼铜的装置，其阴极增重12.8g，则乙池中阴极上放出的气体在标准状况下的体积为________，电路中通过的电子为________mol。

（3）若乙池剩余溶液的体积仍为400mL，则电解后所得溶液c（OH－）＝________。

解析　由题意得X极为正极，Pt电极为电解池的阳极，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑

甲池的阴极电极反应：

Cu2＋＋2e－===Cu

乙池的阴极电极反应：

2H＋＋2e－===H2↑

由电子守恒得：

Cu　　～　　2e－　　～　　H2

64g2mol22.4L

12.8gn（e－）V（H2）

则：

n（e－）＝0.4mol　V（H2）＝4.48L

乙池发生反应：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋　H2↑　＋Cl2↑

2mol22.4L

n（OH－）4.48L

n（OH－）＝0.4mol

电解后所得溶液c（OH－）＝1mol·L－1

答案　

（1）正　2Cl－－2e－===Cl2↑

（2）4.48L　0.4　（3）1mol·L－1

考点四金属的腐蚀与防护

1.金属腐蚀的本质和类型

金属腐蚀的本质就是金属失去电子被氧化。

金属腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀两种类型。

若金属与接触的物质直接发生氧化还原反应而引起的腐蚀称为化学腐蚀，此类腐蚀无电流产生；若合金或不纯金属接触电解质溶液而构成了原电池，其中活泼的金属作负极，失去电子而被氧化的腐蚀称为电化学腐蚀，此类腐蚀伴随有电流的产生。

电化学腐蚀的速率一般比化学腐蚀的速率快。

电化学腐蚀又分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，如钢铁的电化学腐蚀发生的反应如表所示：

析氢腐蚀

吸氧腐蚀

条件

水膜酸性较强

水膜酸性很弱或碱性

正极反应

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

负极反应

Fe－2e－===Fe2＋

其他反应

—

Fe2＋＋2OH－===Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

2.金属腐蚀快慢的因素

不纯的金属或合金，在潮湿的空气中形成原电池发生电化学腐蚀，活泼金属因被腐蚀而损耗。

金属腐蚀的快慢与下列两种因素有关：

（1）与构成原电池的材料有关，两极材料的活泼性相差越大，氧化还原反应的速率越快，金属被腐蚀的速率就越快。

（2）与金属所接触的电解质强弱有关，活泼金属在电解质溶液中的腐蚀快于在非电解质溶液中的腐蚀，在强电解质溶液中的腐蚀快于在弱电解质溶液中的腐蚀。

一般说来可用下列原则判断：

电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐蚀措施的腐蚀。

3．金属的防护方法

（1）加防护层，如在金属表面加上耐腐蚀的油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属。

（2）电化学防护

①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理：

正极（阴极）为被保护的金属；负极（阳极）为比被保护的金属活泼的金属。

②外加电源阴极保护法——电解原理：

阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。

例4　（2011·浙江理综）将NaCl溶液滴在一块光亮清洁的铁板表面上，一段时间后发现液滴覆盖的圆圈中心区（a）已被腐蚀而变暗，在液滴外沿形成棕色铁锈环（b），如下图所示。

导致该现象的主要原因是液滴之下氧气含量比边缘处少。

下列说法正确的是（　　）

A．液滴中的Cl－由a区向b区迁移

B．液滴边缘是正极区，发生的电极反应为：

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．液滴下的Fe因发生还原反应而被腐蚀，生成的Fe2＋由a区向b区迁移，与b区的OH－形成Fe（OH）2，进一步氧化、脱水形成铁锈

D．若改用嵌有一铜螺丝钉的铁板，在铜铁接触处滴加NaCl溶液，则负极发生的电极反应为：

Cu－2e－===Cu2＋

解析　本题考查原电池、钢铁的吸氧腐蚀等知识。

依题意，可判断中心区a为原电池的负极，液滴边缘O2含量较大，是原电池的正极，A中Cl－在电池工作时向负极（a）移动，A选项错误；B项显然正确；C中Fe失电子被氧化而被腐蚀，故C项错误，D中因Fe比Cu活泼，充当负极的是Fe，负极反应为Fe－2e－===Fe2＋，故D错误。

答案　B

互动训练4　（2010·福建厦门质检）海水的进水钢闸门易被腐蚀，对此的下列说法不正确的是（　　）

A．钢闸门腐蚀的本质是Fe－2e－===Fe2＋

B．钢闸门腐蚀主要是发生电化学吸氧腐蚀，其正极反应是O2＋2H2O＋4e－===4OH－

C．将钢闸门与浸入海水的锌块用导线相连，可防止铜闸门腐蚀

D．将钢闸门与直流电源的正极相连，可防止钢闸门腐蚀

解析　钢闸门在腐蚀过程中铁被氧化为Fe2＋，腐蚀原理为吸氧腐蚀型的电化学腐蚀，A、B项对；当将钢闸门与浸入海水的锌块用导线连接起来后就构成了原电池，锌块作负极，钢闸门作正极受到保护，C项对；若将钢闸门与电源正极相连，则其成为阳极被加速腐蚀掉，D项错。

答案　D

★课堂强化练习

1．（2011·山东省菏泽市考试）关于用惰性电极电解饱和NaCl水溶液，下列叙述正确的是（　　）

A．电解时在阳极得到氯气，在阴极得到金属钠

B．若在阳极附近的溶液中滴入KI溶液，溶液呈棕色

C．若在阴极附近的溶液中滴入酚酞试液，溶液呈无色

D．电解一段时间后，将全部电解液转移到烧杯中，充分搅拌后溶液呈中性

2．（2011·山东省潍坊市监测）Cu2O是一种半导体材料，用作制造整流器的材料，还可以用于制船底防污漆（杀死低级海生动物）、农作物的杀菌剂。

在实验室里可模拟工业过程制取Cu2O，总反应式是2Cu＋H2O通电,Cu2O＋H2↑，其装置如图，下列有关说法不正确的是（　　）

A．该实验符合绿色化学的设计理念

B．图中的虚线框内需连接直流电源，且正极与石墨相连

C．CuO高温加热分解也可以得到Cu2O

D．上述装置中，阳极的电极反应式是2Cu＋2OH－－2e－===Cu2O＋H2O

3．（2011·课标大纲）用石墨作电极电解CuSO4溶液。

通电一段时间后，欲使电解液恢复到起始状态，应向溶液中加入适量的（　　）

A．CuSO4B．H2O

C．CuOD．CuSO4·5H2O

4．（2011·山东理综）以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌，下列说法正确的是（　　）

A．未通电前上述镀锌装置可构成原电池，电镀过程是该原电池的充电过程

B．因部分电能转化为热能，电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系

C．电镀时保持电流恒定，升高温度不改变电解反应速率

D．镀锌层破损后即对铁制品失去保护作用

5．（2011·北京东城）如图所示装置，A、B中电极为多孔的惰性电极；C、D为夹在湿的Na2SO4滤纸条上的铂夹，a、b为电源的两极。

若在A、B中充满KOH溶液后倒立于盛有KOH溶液的水槽中。

切断K1，闭合K2、K3，通直流电，电解一段时间后A、B中均有气体产生。

（1）电源的a极为________（填“正”或“负”）极。

（2）在湿的Na2SO4滤纸条中心滴KMnO4溶液，现象是____________________________________________________________________。

（3）写出A中电极反应式为_____________________________________________。

（4）若电解一段时间后A、B中均有气体包围电极。

此时切断K2、K3，闭合K1，电流表的指针偏转，此时B极电极反应式为____________________________________________。

课堂练习答案：

1.答案　B

解析　电解饱和NaCl水溶液，阳极析出氯气，阴极析出氢气，A不对；若在阳极附近滴入KI溶液，将析出I2，得到I2的水溶液，故显棕色，B正确；阴极附近由于显碱性，加酚酞显红色；电解一段时间后，搅拌得到的是含有NaOH的溶液，显碱性。

2.答案　B

解析　利用电解反应制取Cu2O时，铜被氧化，应用铜作阳极，连直流电源的正极；石墨是电解池的阴极，与电源的负极相连。

3.答案　C

解析　由硫酸铜溶液的电解方程式：

2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4可知，加入CuO才可与生成的H2SO4反应生成CuSO4而使电解液恢复到原浓度，故C正确。

4.答案　C

解析　A项，该装置中没有自发的氧化还原反应发生，因此，不能构成原电池；B项，根据能量守恒定律可知，总的能量一定，它等于电镀过程中转化的化学能和转化的势能的和，因此通过的电量与锌的析出量有确定的关系；C项，电流恒定，单位时间内提供给阴极的电量就一定，析出的锌的量也一定；D项，镀锌层破损后形成的Zn－Fe原电池起到牺牲阳极保护阴极的作用。

5.答案　

（1）负　

（2）紫色向D靠近　（3）4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　（4）H2－2e－＋2OH－===2H2O

解析　

（1）由图看出，切断K1，闭合K2、K3，通直流电，水槽中构成了惰性电极电解KOH溶液的电解池装置，实质是电解水，所以生成氢气与氧气，氢气的体积是氧气体积的2倍，B中的气体是氢气，B中的电极是阴极。

与B相连的电源a极为负极。

（4）切断K2、K3，闭合K1，水槽中就构成了氢氧燃料电池，有氧气的一端是正极，有氢气的一端是负极，注意电解质溶液是碱性溶液。