全国通用版高考化学一轮复习第6章化学反应与能量第3节电解池金属的腐蚀与防护学案.docx

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全国通用版高考化学一轮复习第6章化学反应与能量第3节电解池金属的腐蚀与防护学案

第三节　电解池　金属的腐蚀与防护

考纲定位

全国卷5年考情

1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。

2．了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。

2017年：

Ⅰ卷T11；Ⅱ卷T11

2016年：

Ⅰ卷T11；Ⅲ卷T11

2015年：

Ⅱ卷T28

（2）

2014年：

Ⅰ卷T27（4）；Ⅱ卷T27（3）

2013年：

Ⅰ卷T10、T27（5、6）

考点1|电解原理及其规律

（对应学生用书第122页）

[考纲知识整合]

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。

提醒：

注意电解与电离两概念的联系与区别。

联系：

电解是在电解质电离的基础上完成的。

区别：

电解需外加电源，是化学过程，电离一般在水溶液或熔融状态下完成，为物理过程。

2．电解池及其工作原理

（1）概念：

电解池是把电能转化为化学能的装置。

（2）构成条件

①有与外接直流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。

（3）电解池工作原理（以电解CuCl2溶液为例）

（4）电解池中电子和离子的移动

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电流：

从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极。

（5）两极放电（氧化或还原）顺序

①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：

金属（Au、Pt除外）电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。

提醒：

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阳极材料若是金属电极（Au、Pt除外），溶液中的阴离子不反应，电极金属失电子被氧化。

3．惰性电极的电解规律

（1）电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐

①阴极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，总方程式为2H2O

2H2↑＋O2↑。

②电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。

（2）电解电解质类型——无氧酸（如HCl），不活泼金属无氧酸盐（CuCl2）。

电解质浓度变小，加电解质本身复原。

（3）放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐（如NaCl）

①阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，总方程式为2Cl－＋2H2O

Cl2↑＋H2↑＋2OH－。

②溶液pH变大，加HCl（卤化氢）复原。

（4）放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐（如CuSO4）

①阴极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极反应式为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，总方程式为2Cu2＋＋2H2O

2Cu＋O2↑＋4H＋。

②溶液pH变小，加CuO（金属氧化物）或CuCO3复原。

[应用体验]

　正误判断（正确的打“√”，错误的打“×”）。

（1）电解质溶液导电与金属导电原理相同，均为化学变化。

（　　）

（2）原电池负极与电解池中连接电源负极的阴极均发生氧化反应。

（　　）

（3）自发进行的氧化还原反应可设计成原电池，但任何反应均可设计成电解池。

（　　）

（4）电解池工作时电子从电源的负极流出，流入阴极通过溶液到阳极，然后从阳极流出，流回电源正极。

（　　）

（5）氯碱工业电解饱和食盐水的过程中，阴极附近产生NaOH。

（　　）

（6）惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。

（　　）

（7）惰性电极电解足量CuSO4溶液，可以加入Cu（OH）2使溶液复原。

（　　）

（8）用Cu作电极电解盐酸可发生Cu＋2H＋

Cu2＋＋H2↑。

（　　）

【提示】　

（1）×　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√　（6）×　（7）×　（8）√

[高考命题点突破]

命题点1　电极反应式和电解方程式的书写

1．用惰性电极电解2mol·L－1NaCl和1mol·L－1CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段，写出每一阶段的电极反应和总反应式。

【答案】　电解第一阶段：

阳极得到Cl2、阴极得到单质Cu。

电极反应式分别为阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑，

阴极：

Cu2＋＋2e－===Cu，总反应：

2Cl－＋Cu2＋

Cl2↑＋Cu。

电解第二阶段：

阳极得到O2、阴极得到H2。

电极反应式分别为阳极：

4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，

阴极：

4H＋＋4e－===2H2↑，总反应：

2H2O

2H2↑＋O2↑。

2．按要求书写方程式。

（1）用惰性电极电解MgCl2溶液

阳极反应式：

_________________________________________________；

阴极反应式：

_________________________________________________；

总反应式：

___________________________________________________。

（2）用铁作电极电解NaOH溶液

阳极反应式：

_________________________________________________；

阴极反应式：

_________________________________________________；

总反应式：

___________________________________________________。

（3）用Ag作电极电解稀盐酸

阳极反应式：

_________________________________________________；

阴极反应式：

_________________________________________________；

总反应式：

___________________________________________________。

（4）以铝材为阳极，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：

__________________________________________________；

总反应式：

____________________________________________________。

【答案】　

（1）2Cl－－2e－===Cl2↑

2H＋＋2e－===H2↑

Mg2＋＋2Cl－＋2H2O

Mg（OH）2↓＋Cl2↑＋H2↑

（2）Fe－2e－＋2OH－===Fe（OH）2

2H＋＋2e－===H2↑

Fe＋2H2O

Fe（OH）2＋H2↑

（3）2Ag＋2Cl－－2e－===2AgCl2H＋＋2e－===H2↑

2Ag＋2H＋＋2Cl－

2AgCl＋H2↑

（4）2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋

6H＋＋6e－===3H2↑

2Al＋3H2O

Al2O3＋3H2↑

（5）2Al－6e－＋8OH－===2AlO

＋4H2O6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－（或6H＋＋6e－===3H2↑）

2Al＋2H2O＋2OH－

2AlO

＋3H2↑

3．离子液体是一种室温熔融盐，为非水体系。

由有机阳离子、Al2Cl

和AlCl

组成的离子液体作电解液时，可在钢制品上电镀铝。

钢制品应接电源的________极，已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应，阴极电极反应式为___________________________。

若改用AlCl3水溶液作电解液，则阴极反应式为_______________________

_______________________________________________________________。

【解析】　在钢制品上电镀铝，故钢制品应作阴极，与电源的负极相连；因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”，Al元素在熔融盐中以Al2Cl

和AlCl

形式存在，则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl

＋3e－===Al＋7AlCl

；在水溶液中，得电子能力：

H＋>Al3＋，故阴极上发生的反应是2H＋＋2e－===H2↑。

【答案】　负　4Al2Cl

＋3e－===Al＋7AlCl

　2H＋＋2e－===H2↑

[易错防范]　电极反应式和电解方程式应注意下列问题

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＋。

②二看电解质，电解质是否参与电极反应。

③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。

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，且注明“电解”条件。

②要确保两极电子转移数目相同。

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。

命题点2　电解原理及其规律

4.图中X为电源，Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸，滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液，通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。

下列判断正确的是

（　　）

A．滤纸上c点附近会变红色

B．Cu电极质量减小，Pt电极质量增大

C．Z中溶液的pH先减小，后增大

D．溶液中的SO

向Cu电极定向移动

A　[紫红色斑即MnO

向d端扩散，根据阴离子向阳极移动的原理，可知d端为阳极，即b为正极，a为负极，c为阴极，NaCl溶液中H＋放电，产生OH－，c点附近会变红色，A正确；电解硫酸铜溶液时，Pt为阳极，溶液中的OH－放电：

4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，Cu为阴极，溶液中的Cu2＋得电子，生成铜，总反应式为2CuSO4＋2H2O

2Cu＋O2↑＋2H2SO4，Pt电极附近生成H＋，则SO

向Pt电极移动，B、D不正确；随着电解的进行，Z中溶液变为硫酸溶液，继续电解则为电解水，硫酸浓度增大，pH减小，C不正确。

]

5．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（　　）【导学号：

97500113】

A．电解结束后，均可以加水恢复原溶液

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）

C　[A项，电解水，减少的为H2O，可加水复原，电解NaCl溶液，减少的可看作为Cl2和H2，应加HCl复原，故A错误；B项，电解水溶液的pH不变，电解饱和氯化钠溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气，pH变大，所以电解结束后所得液体的pH不相同，故B错误；C项，以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水，阴极上都是2H＋＋2e－===H2↑，所以阴极电极反应式相同，故C正确；D项，设转移电子数为4mol，则依据电解方程式：

2H2O

2H2↑＋O2↑～4e－，电解水生成3mol气体，依据电解方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋Cl2↑＋H2↑～2e－，电解饱和食盐水生成4mol气体，故D错误。

]

（1）根据外接电源：

正极连阳极，负极连阴极。

（2）根据电流方向：

从阴极流出，从阳极流入。

（3）根据电子流向：

从阳极流出，从阴极流入。

（4）根据离子流向：

阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。

（5）根据电极产物：

A．阳极：

电极溶解、逸出O2（或极区变酸性）或Cl2；B．阴

极：

析出金属、逸出H2（或极区变碱性）。

（6）根据反应类型：

阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应。

考点2|电解原理的实际应用

（对应学生用书第123页）

[考纲知识整合]

1．电解饱和食盐水——氯碱工业

（1）电极反应

阳极：

2Cl－－2e－===Cl2↑（反应类型：

氧化反应）。

阴极：

2H＋＋2e－===H2↑（反应类型：

还原反应）。

检验阳极产物的方法是：

用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。

电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。

（2）电解方程式

化学方程式：

2NaCl＋2H2O

2NaOH＋H2↑＋Cl2↑

离子方程式：

2Cl－＋2H2O

2OH－＋H2↑＋Cl2↑。

（3）阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图

①阳离子交换膜的作用

阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：

2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。

②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。

2．电镀与电解精炼铜

电镀（Fe上镀Cu）

电解精炼铜

阳极

电极材料

Cu（或铜）

粗铜（含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质）

电极反应

Cu－2e－===Cu2＋

Cu－2e－===Cu2＋（主）

Zn－2e－===Zn2＋

Fe－2e－===Fe2＋

Ni－2e－===Ni2＋

阴极

电极材料

Fe

纯铜

电极反应

Cu2＋＋2e－===Cu

电解质溶液

含Cu2＋的盐溶液

电解精炼铜时，粗铜中的Ag、Au等不反应，沉积在电解池底部形成阳极泥

注：

①镀层金属作阳极，待镀元件作阴极，电解质溶液含有镀层金属离子。

②电镀铜时，电解质溶液中c（Cu2＋）不变；电解精炼铜时，电解质溶液中

c（Cu2＋）减小。

3．电冶金

冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属，必须用电解法。

（1）电解熔融氯化钠得到钠

（2）电解熔融Al2O3制Al

2Al2O3（熔融）

4Al＋3O2↑

电极反应：

阳极：

6O2－－12e－===3O2↑；

阴极：

4Al3＋＋12e－===4Al。

冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。

提醒：

（1）电解熔融MgCl2冶炼镁，而不能电解熔融MgO冶炼镁，因MgO的熔点很高；　

（2）电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，因AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。

[高考命题点突破]

命题点1　电镀和金属精炼

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

（　　）【导学号：

97500114】

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

D　[氯碱工业中阳极是Cl－放电生成Cl2；电解精炼铜时阳极粗铜溶解，阴极Cu2＋放电析出Cu，溶液中Cu2＋浓度变小；铁片上镀铜时，阴极应该是铁片，阳极是纯铜。

]

2．粗铜的电解精炼如图所示。

（1）在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________（填图中的字母）；在电极d上发生的电极反应式为______________________________________

______________________________________________________________；

（2）若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，则阳极的电极反应式为__________________________，粗铜中的Au、Ag的存在形式和位置为______________________________，溶液中c（Cu2＋）________（填“变大”“变小”或“不变”）。

【解析】　粗铜电解精炼时，粗铜作阳极与电源正极相连，所以粗铜板是图中电极c，d是阴极，发生的反应是Cu2＋＋2e－===Cu，Au、Ag不如铜活泼，以单质的形式沉积在c（阳极）下方，Fe比铜活泼，以Fe2＋的形式进入电解质溶液中。

【答案】　

（1）c　Cu2＋＋2e－===Cu　

（2）Fe－2e－===Fe2＋，Cu－2e－===Cu2＋　Au、Ag以单质的形式沉积在c电极的下方形成阳极泥　变小

命题点2　电解原理在物质制备、环境治理方面的应用

3．电解法制取有广泛用途的Na2FeO4，同时获得氢气：

Fe＋2H2O＋2OH－

FeO

＋3H2↑，工作原理如图1所示。

装置通电后，铁电极附近生成紫红色FeO

，镍电极有气泡产生。

若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质。

已知：

Na2FeO4只在强碱性条件下稳定，易被H2还原。

【导学号：

97500115】

（1）电解一段时间后，c（OH－）降低的区域在________（填“阴极室”或“阳极室”）。

（2）电解过程中，需将阴极产生的气体及时排出，其原因是___________。

（3）c（Na2FeO4）随初始c（NaOH）的变化如图2，任选M、N两点中的一点，分析c（Na2FeO4）低于最高值的原因：

________________________________________________________________

______________________________________________________________。

【解析】　

（1）根据电解总反应：

Fe＋2H2O＋2OH－

FeO

＋3H2↑，结合阳极发生氧化反应知，阳极反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO

＋4H2O，结合阴极发生还原反应知，阴极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑，则阳极室消耗OH－且无补充，故c（OH－）降低。

（2）结合题给信息“Na2FeO4易被氢气还原”知，阴极产生的氢气不能接触到Na2FeO4，故需及时排出。

（3）图示中随着c（NaOH）增大，c（Na2FeO4）先增大后减小，结合已知信息“Na2FeO4只

在强碱性条件下稳定”知，M点c（Na2FeO4）低的原因是c（OH－）低，反应速率小且Na2FeO4稳定性差。

结合已知信息“若氢氧化钠溶液浓度过高，铁电极区会产生红褐色物质”知，N点c（Na2FeO4）低的原因是c（OH－）过高，铁电极上产生Fe（OH）3或Fe2O3，使Na2FeO4产率降低。

【答案】　

（1）阳极室　

（2）防止Na2FeO4与H2反应使产率降低　（3）M点：

c（OH－）低，Na2FeO4稳定性差，且反应慢；N点：

c（OH－）过高，铁电极上有Fe（OH）3（或Fe2O3）生成，使Na2FeO4产率降低

4．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_________________________________

_______________________________________________________________。

【解析】　产生H2是因为H2O电离的H＋在阴极上得电子，即6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，所以B极为阴极，A极为阳极，电极反应式为CO（NH2）2＋8OH－－6e－===N2↑＋CO

＋6H2O。

【答案】　

（1）阳极　CO（NH2）2＋8OH－－6e－===N2↑＋CO

＋6H2O　

（2）阴极　6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－

电镀废水中常含有剧毒的Cr2O

。

该废水处理的一种方法是利用还原剂把Cr2O

还原成毒性较低的Cr3＋，再加碱生成沉淀；另一种方法是向废水中加入适量的NaCl，用Fe作电极进行电解。

下列说法错误的是（　　）

A．电解时，阳极反应式为Fe－2e－===Fe2＋

B．电解过程中，阴极能产生氢气

C．电解过程中，Cr2O

被还原的离子方程式为Cr2O

＋6Fe2＋＋14H＋

===2Cr3＋＋6Fe3＋＋7H2O

D．电解过程中，阳极附近生成Fe（OH）3和Cr（OH）3沉淀

D　[电解法处理含铬废水的原理：

用Fe作电极进行电解，Fe被氧化生成

Fe2＋，Fe2＋作还原剂把Cr2O

还原成毒性较低的Cr3＋。

电解过程中，H＋在阴极放电生成H2，使阴极附近溶液中的c（H＋）

]

5．用下图所示装置处理含CN－废水时，控制溶液pH为9～10，并加入NaCl，一定条件下电解，阳极产生的ClO－将CN－氧化为无害物质而除去。

铁电极为________（填“阴极”或“阳极”），阳极产生ClO－的电极反应为________________________________________________________________

_______________________________________________________________。

【答案】　阴极　2OH－＋Cl－－2e－===ClO－＋H2O

命题点3　隔膜在电化学中的应用

[典例导航]

　（2016·全国Ⅰ卷）三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO

可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。

下列叙述正确的是（　　）

A．通电后中间隔室的SO

离子向正极迁移，正极区溶液pH增大

B．该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品

C．负极反应为2H2O－4e－===O2＋4H＋，负极区溶液pH降低

D．当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5mol的O2生成

[审题指导]　直流电场作用→图中的“－”极和“＋”极就是阴极和阳极

SO

移向“＋”极，Na＋移向“－”极―→ab为阳离子交换膜，cd为阴离子交换膜―→“－”极反应为2H＋＋2e－===H2↑，pH增大；“＋”极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，pH减小。

【答案】　B

（1）ab为________________（填“阴”或“阳”，后同）离子交换膜，cd为________离子交换膜。

（2）正极区的电极反应式为________，正极区的pH变________（填“大”或“小”），从平衡角度解释原因_____________________________________

_______________________________________________________________。

【答案】　

（1）阳　阴

（2）4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　小