电解池.docx

电解池.docx

《电解池.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电解池.docx（25页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

电解池

电解池，金属的电化学腐蚀与防腐

一　电解的原理

1．电解定义

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．能量转化形式

电能转化为化学能。

3．电解池

（1）构成条件

①有与电源相连的两个电极。

②电解质溶液（或熔融盐）。

③形成闭合回路。

（2）电极名称及电极反应式（如图）

（3）电子和离子的移动方向

特别提醒　电解时，在外电路中有电子通过，而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流，即电子本身不会通过电解质溶液。

4．分析电解过程的思维程序

（1）首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。

（2）再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴、阳两组（不要忘记水溶液中的H＋和OH－）。

（3）然后排出阴、阳两极的放电顺序

阴极：

阳离子放电顺序：

Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋（酸）>Fe2＋>Zn2＋>H＋（水）>Al3＋>Mg2＋>Na＋>Ca2＋>K＋。

阳极：

活泼电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。

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：

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）分析电极反应，判断电极产物，写出电极反应式，要注意遵循原子守恒和电荷守恒。

（5）最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

深度思考

1．用分析电解过程的思维程序分析电解下列物质的过程，并总结电解规律（用惰性电极电解）。

（1）电解水型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

含氧酸（如H2SO4）

阳极：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

阴极：

4H＋＋4e－===2H2↑

H2O

2H2O

O2↑＋2H2↑

增大

减小

加H2O

强碱（如NaOH）

增大

加H2O

活泼金属的

含氧酸盐

（如KNO3、

Na2SO4）

不变

加H2O

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。

答案　不一定，如用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液，一段时间后会析出Na2SO4·10H2O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用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液，一段时间后，析出wgNa2SO4·10H2O晶体，阴极上放出ag气体，则饱和Na2SO4溶液的质量分数为__________。

（2）电解电解质型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

无氧酸（如HCl），除HF外

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

酸

2HCl

H2↑＋Cl2↑

减小

增大

通入HCl气体

不活泼金属的无氧酸盐（如CuCl2），除氟化物外

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu

盐

CuCl2

Cu＋Cl2↑

加CuCl2固体

（3）放H2生碱型

电解质（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

活泼金属的无氧酸盐（如NaCl）

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑

水和盐

2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－

生成新电解质

增大

通入HCl气体

要使电解后的NaCl溶液复原，滴加盐酸可以吗？

答案　不可以，电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2，所以应通入氯化氢气体，加入盐酸会引入过多的水。

（4）放O2生酸型

电解质

（水溶液）

电极方程式

电解物质

总化学方程式

电解质浓度

溶液pH

溶液复原

不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4）

阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑

阴极：

2Cu2＋＋4e－===2Cu

水和盐

2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋

生成新电解质

减小

加CuO或CuCO3

①电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么？

在放H2生碱型的电解中，若滴入酚酞试液，哪一极附近溶液变红？

答案　放H2生碱型实质是水电离出的H＋在阴极上放电，破坏了阴极附近水的电离平衡，使OH－浓度增大，若滴入酚酞试液，阴极附近溶液变红；放O2生酸型的实质是水电离出的OH－在阳极上放电，破坏了阳极附近水的电离平衡，使H＋浓度增大。

②要使电解后的CuSO4溶液复原，加入Cu（OH）2固体可以吗？

答案　应具体情况具体分析，若通电一段时间，CuSO4未电解完（即Cu2＋未全部放电），使溶液复原应加入CuO，而加入Cu（OH）2会使溶液的浓度减小；若Cu2＋全部放电，又继续通电一段时间（此时电解水），要使溶液复原应加入Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3，若只加入CuO，此时浓度偏大。

③若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后，需加入98gCu（OH）2固体，才能使电解质溶液复原，则这段时间，整个电路中转移的电子数为多少？

解

（5）通过以上分析，电解质溶液复原应遵循什么原则？

答案　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，则应按比例补入哪些原子。

2．根据金属活动顺序表，Cu和稀H2SO4不反应，怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?

题组一　突破电极反应式、电解方程式的书写

1．按要求书写电极反应式和总方程式：

（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MgCl2溶液

阳极反应式_____________________________________________________________；

阴极反应式_____________________________________________________________；

总反应离子方程式____________________________________________________。

（3）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____________________________________________________________。

（4）用铁作电极电解NaOH溶液

阳极反应式_______________________________________________________________；

阴极反应式____________________________________________________________；

总反应离子方程式_______________________________________________________________。

（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Al作阳极，电解H2SO4溶液，铝材表面形成氧化膜

阳极反应式_____________________________________________________________；

阴极反应式_________________________________________________________；

总反应离子方程式________________________________________________________。

（7）用Al作阳极，石墨作阴极，电解NaHCO3溶液

阳极反应式___________________________________________________________；

阴极反应式______________________________________________________________。

（8）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______________________________________________________________。

1.做到“三看”，正确书写电极反应式

（1）一看电极材料，若是金属（Au、Pt除外）作阳极，金属一定被电解（注：

Fe生成Fe2＋）。

（2）二看介质，介质是否参与电极反应。

（3）三看电解质状态，若是熔融状态，就是金属的电冶炼。

2．规避“三个”失分点

（1）书写电解池中电极反应式时，一般以实际放电的离子表示，但书写总电解反应方程式时，弱电解质要写成分子式。

（2）要确保两极电子转移数目相同，且应注明条件“电解”。

（3）电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。

题组二　电解原理和电解规律的考查

2．下图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。

通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。

下列实验现象描述正确的是（　　）

A．逸出气体的体积，a电极的小于b电极的

B．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气体

C．a电极附近呈红色，b电极附近呈蓝色

D．a电极附近呈蓝色，b电极附近呈红色

3．以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水，关于两个电解池反应的说法正确的是（　　）

A．阳极反应式相同B．电解结束后所得液体的pH相同

C．阴极反应式相同D．通过相同电量时生成的气体总体积相等（同温同压）

二　电解原理的应用

1．电解饱和食盐水

（1）电极反应

阳极反应式：

2Cl－－2e－===Cl2↑（氧化反应）

阴极反应式：

2H＋＋2e－===H2↑（还原反应）

（2）总反应方程式

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

离子反应方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑

（3）应用：

氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。

2．电镀

右图为金属表面镀银的工作示意图，据此回答下列问题：

（1）镀件作阴极，镀层金属银作阳极。

（2）电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。

（3）电极反应：

阳极：

Ag－e－===Ag＋；

阴极：

Ag＋＋e－===Ag。

（4）特点：

阳极溶解，阴极沉积，电镀液的浓度不变。

3．电解精炼铜

（1）电极材料：

阳极为粗铜；阴极为纯铜。

（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．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。

（1）冶炼钠

2NaCl（熔融）

2Na＋Cl2↑

电极反应：

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑；阴极：

2Na＋＋2e－===2Na。

（2）冶炼铝

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

电极反应：

阳极：

6O2－－12e－===3O2↑；阴极：

4Al3＋＋12e－===4Al。

深度思考

1．试根据氯碱工业的生产过程回答下列问题。

（1）电解氯化钠溶液时，如何用简便的方法检验产物？

答案　阳极产物Cl2可以用湿润的淀粉KI试纸检验，阴极产物H2可以通过点燃检验，NaOH可以用酚酞溶液检验。

（2）在氯碱工业中，用的是阳离子交换膜，其作用是什么？

若没有膜会如何？

答案　阳离子交换膜只允许阳离子（Na＋）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和分子（Cl2）通过，这样既能阻止H2和Cl2混合爆炸，又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成的NaClO影响烧碱质量。

2．电解精炼铜时，阳极泥是怎样形成的？

答案　粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，金属活动性位于铜之前的金属杂质，如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子，但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不能在阴极析出，而只能以离子的形式留在电解液里。

金属活动性位于铜之后的银、金等杂质，因为失去电子的能力比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解，所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后，银、金以金属单质的形式沉积在电解槽底部，形成阳极泥。

题组一　电解原理的“常规”应用

1．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－===2H2O＋O2↑

B．电解精炼铜时，Z溶液中的Cu2＋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

2．使用氯化钠作原料可以得到多种产品。

（1）实验室用惰性电极电解100mL0.1mol·L－1NaCl溶液，若阴、阳两极均得到112mL气体（标准状况），则所得溶液的物质的量浓度是______________（忽略反应前后溶液体积的变化）。

（2）某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器，用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液，通电时，为使Cl2被完全吸收，制得有较强杀菌能力的消毒液，设计了如图的装置。

对电源电极名称和消毒液的主要成分判断正确的是________（填字母）。

A．a为正极，b为负极；NaClO和NaCl

B．a为负极，b为正极；NaClO和NaCl

C．a为阳极，b为阴极；HClO和NaCl

D．a为阴极，b为阳极；HClO和NaCl

（3）实验室中很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe（OH）2沉淀。

某同学利用上图装置，只更换一个电极，通过电解法制取较纯净的Fe（OH）2沉淀，且较长时间不变色。

该同学换上的电解材料是__________（用元素符号表示），总的反应式是_________________________________________________________。

题组二　电解原理的“不寻常”应用

（一）电解原理在“环境治理”中的不寻常应用

3．（2015·宜昌市高三教学测试）工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。

下列说法不正确的是（　　）

已知：

①Ni2＋在弱酸性溶液中发生水解

②氧化性：

Ni2＋（高浓度）＞H＋＞Ni2＋（低浓度）

A．碳棒上发生的电极反应：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O

B．电解过程中，B室中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减小

C．为了提高Ni的产率，电解过程中需要控制废水pH

D．若将图中阳离子膜去掉，将A、B两室合并，则电解反应总方程式发生改变

4．用NaOH溶液吸收烟气中的SO2，将所得的Na2SO3溶液进行电解，可循环再生NaOH，同时得到H2SO4，其原理如下图所示（电极材料为石墨）。

（1）图中a极要连接电源的________（填“正”或“负”）极，C口流出的物质是________。

（2）SO

放电的电极反应式为__________________________________________________。

（3）电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因：

___________________________________________________________。

（二）电解原理在“物质制备”中的不寻常应用

5．一定条件下，下图装置可实现有机物的电化学储氢（忽略其他有机物）。

生成目标产物的电极反应式为_________________________________________________。

6．电解尿素[CO（NH2）2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如下：

电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴阳两极均为惰性电极。

（1）A极为________，电极反应式为________________________________________________。

（2）B极为________，电极反应式为______________________________________________。

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。

四　金属的腐蚀和防护

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

电极反应

负极

Fe－2e－===Fe2＋

正极

2H＋＋2e－===H2↑

O2＋2H2O＋4e－===4OH－

总反应式

Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）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。

深度思考

1．正误判断，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）所有金属纯度越大，越不易被腐蚀（　　）

（2）纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样（　　）

（3）干燥环境下金属不被腐蚀（　　）

（4）Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物（　　）

（5）钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁失去电子生成Fe3＋（　　）

（6）在金属表面覆盖保护层，若保护层破损后，就完全失去了对金属的保护作用（　　）

（7）外加电流的阴极保护法，构成了电解池；牺牲阳极的阴极保护法构成了原电池。

二者均能有效地保护金属不容易被腐蚀（　　）

2．写出钢铁在潮湿的空气中发生吸氧腐蚀生成铁锈的原理。

答案　铁锈的形成

负极：

2Fe－4e－===2Fe2＋

正极：

O2＋4e－＋2H2O===4OH－

2Fe＋O2＋2H2O===2Fe（OH）2

4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3

2Fe（OH）3===Fe2O3·xH2O（铁锈）＋（3－x）H2O

题组一　腐蚀快慢与防护方法的比较

1．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为（　　）

A．②①③④⑤⑥B．⑤④③①②⑥

C．⑤④②①③⑥D．⑤③②④①⑥

2．下列与金属腐蚀有关的说法，正确的是（　　）

A．图1中，铁钉易被腐蚀

B．图2中，滴加少量K3[Fe（CN）6]溶液，没有蓝色沉淀出现

C．图3中，燃气灶的中心部位容易生锈，主要是由于高温下铁发生化学腐蚀

D．图4中，用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀，镁块相当于原电池的正极

1．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。

2．两种保护方法的比较

外加电流的阴极保护法保护效果大于牺牲阳极的阴极保护法。

3．根据介质判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀

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；NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液发生析氢腐蚀。

题组二　正确判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀

3．一定条件下，碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下表。

pH

2

4

6

6.5

8

13.5

14

腐蚀快慢

较快

慢

较快

主要产物

Fe2＋

Fe3O4

Fe2O3

FeO

下列说法错误的是（　　）

A．当pH＜4时，碳钢主要发生析氢腐蚀

B．当pH＞6时，碳钢主要发生吸氧腐蚀

C．当pH＞14时，正极反应为O2＋4H＋＋4e－===2H2O

D．在煮沸除氧气后的碱性溶液中，碳钢腐蚀速率会减缓

4．利用右图装置进行实验，开始时，a、b两处液面相平，密封好，放置一段时间。

下列说法不正确的是（　　）

A．a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀

B．一段时间后，a管液面高于b管液面

C．a处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小

D．a、b两处具有相同的电极反应式：

Fe－2e－===Fe2＋

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；NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液发生析氢腐蚀。

1．正误判断，正确的划“√”，错误的划“×”

（1）验证铁的吸氧腐蚀，可以将铁钉放入试管中，用盐酸浸没（）

（2015·福建理综，8D）

（2）钢铁水闸可用牺牲阳极或外加电流的阴极保护法防止其腐蚀（）

（2015·江苏，11C）

（3）

（）

（2015·四川理综，3C）

2．（2