第六张第三节电解池金属的腐蚀和防护.docx
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第六张第三节电解池金属的腐蚀和防护
第三节 电解池 金属的腐蚀和防护
[考纲展示] 1.了解电解池的工作原理,能写出电极反应式和电解反应方程式。
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。
考点1|电解原理
固本探源
1.完成电解CuCl2溶液的相关电极名称及电极反应式(如图)
总反应方程式:
CuCl2
Cu+Cl2↑。
2.电解池及工作原理
(1)电解:
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
(2)电解池构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融电解质)。
③形成闭合回路。
(3)电子和离子移动方向
①电子:
从电源负极流向电解池的阴极;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。
典例引领
[典例1] 利用如图装置电解硫酸铜溶液,下列说法正确的是( )
A.b电极上发生氧化反应
B.该装置能将化学能转变成电能
C.电解质溶液中Cu2+从b电极向a电极迁移
D.若a为铜,则a的电极反应式为Cu-2e-===Cu2+
[拓展延伸]
若将CuSO4换成Na2SO4溶液,请写出阴、阳极反应方程式,并判断溶液的阴极区、阳极区和溶液的酸碱性变化。
【提示】 阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O,该极显酸性;阴极:
2H++2e-===H2↑,该极显碱性
溶液的pH不变。
题组强化
●题组1—电解规律
1.(2014·海南高考)以石墨为电极,电解KI溶液(其中含有少量酚酞和淀粉)。
下列说法错误的是( )
A.阴极附近溶液呈红色
B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色
D.溶液的pH变小
2.(2013·北京高考)用石墨电极电解CuCl2溶液(见图)。
下列分析正确的是( )
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生的反应:
Cu2++2e-===Cu
D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
3.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.CuSO4 B.H2O
C.CuOD.CuSO4·5H2O
[规律方法]
电解池实验现象和溶液pH变化分析技巧
(1)分析电极、电极区的pH及实验现象时,要从电极反应入手,如电解CuSO4溶液,阳极发生4OH--4e-===2H2O+O2↑,OH-浓度减小,溶液酸性增强。
(2)分析电解质溶液中的pH及实验现象时,要从总反应入手,如电解CuSO4溶液的总反应式为2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,所以整个电解质溶液酸性增强。
(3)判断电极附近溶液pH变化,可以通过一般经验进行判断:
不论原电池还是电解池,如果pH发生变化,一般失电子的电极pH减小,得电子的电极pH增大。
●题组2—电极方程式的书写
4.(2015·四川高考)用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:
Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:
2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
5.(2015·浙江高考)在固态金属氧化物电解池中,高温共电解H2OCO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式,基本原理如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.X是电源的负极
B.阴极的电极反应式是:
H2O+2e-===H2+O2-
CO2+2e-===CO+O2-
C.总反应可表示为:
H2O+CO2
H2+CO+O2
D.阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1∶1
6.
(1)(2014·新课标全国卷Ⅱ节选)PbO2也可以通过石墨为电极,Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液电解制取。
阳极发生的电极反应式为_____,
阴极上观察到的现象是_________;
若电解液中不加入Cu(NO3)2,阴极发生的电极反应式为__________,
这样做的主要缺点是________。
(2)(2014·四川高考节选)MnO2可作超级电容器材料。
用惰性电极电解MnSO4溶液可制得MnO2,其阳极的电极反应式是___________。
(3)(2013·大纲全国卷高考)铝是一种应用广泛的金属,工业上用Al2O3和冰晶石(Na3AlF6)混合熔融电解制得。
电解制铝的化学方程式是___________。
【答案】
(1)Pb2++2H2O-2e-===PbO2↓+4H+ 石墨上包上铜镀层 Pb2++2e-===Pb↓ 不能有效利用Pb2+
(2)Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+
(3)2Al2O3
4Al+3O2↑
[思维建模]
电极反应方程式书写的模式
●题组3—有关电解的计算
7.(2016·潍坊模拟)1L某溶液中含有的离子如下表:
离子
Cu2+
Al3+
NO
Cl-
物质的量浓度(mol/L)
1
1
a
1
用惰性电极电解该溶液,当电路中有3mole-通过时(忽略电解时溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象),下列说法正确的是( )
A.电解后溶液呈酸性
B.a=3
C.阳极生成1.5molCl2
D.阴极析出的金属是铜与铝
8.将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3mol/LB.2×10-3mol/L
C.1×10-3mol/LD.1×10-7mol/L
[规律方法]
电化学定量计算的三种方法
(1)根据电子守恒
用于串联电路中电解池阴阳两极产物、原电池正负两极产物、通过的电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
(2)根据总反应式
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。
(3)根据关系式
根据得失电子守恒关系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。
考点2|电解原理的应用
典例引领
[典例2]
(1)(2015·山东高考节选)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。
利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为________溶液(填化学式),阳极电极反应式为_________,
电解过程中Li+向________电极迁移(填“A”或“B”)。
(2)(2014·山东高考节选)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,则阴极产物为________。
【解题导引】
(1)电解制取LiOH原理上与哪种物质相似?
放电规律如何?
(2)“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”的含义是什么?
【提示】
(1)与电解NaCl溶液相似,H+在阴极放电产生H2,Cl-在阳极放电,产生Cl2。
(2)根据题意阴极应为阴离子Al2Cl
放电生成AlCl
和Al。
【答案】
(1)LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
(2)负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
H2
考点精析
电解原理应用中的几个要点
(1)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱质量。
(2)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为金属电极——阳极;电极质量增加的电极必为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
(3)电解精炼铜,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液;活泼性小于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。
电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
(4)电镀时,阳极(镀层金属)失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等,因此电镀液的浓度保持不变。
题组强化
●题组1—电解原理的基础应用
1.(2013·山东高考节选)如图为电解精炼银的示意图,____________(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银,若b极有少量红棕色气体产生,则生成该气体的电极反应式为________。
【2.
(1)(2014·新课标全国卷Ⅱ节选)采用石墨阳极、不锈钢阴极电解熔融的氯化镁,发生反应的化学方程式为___________________;
电解时,若有少量水存在会造成产品镁的消耗,写出有关反应的化学方程式___________。
(2)写出一种工业制备单质氯气的离子方程式______________。
(3)(2013·广东高考节选)电解精炼银时,阴极反应式为_____________。
(4)(2013·大纲全国卷节选)铝是一种应用广泛的金属,工业上用Al2O3和冰晶石(Na3AlF6)混合熔融电解制得。
以石墨为电极,阳极产生的混合气体的成分是________。
(5)(2012·新课标全国卷节选)粗铜的电解精炼如图所示。
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_______________;
若粗铜中还含有Au、Ag、Fe,它们在电解槽中的存在形式和位置为_____________。
【答案】
(1)MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑ Mg+2H2O
Mg(OH)2+H2
(2)2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑或
[2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑]
(3)Ag++e-===Ag
(4)O2、CO2(CO)
(5)c Cu2++2e-===Cu Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方,Fe以Fe2+的形式进入电解液中
[规律总结]
电解原理应用的“三看”
(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。
●题组2—电解原理的“创新”应用
3.(2015·福建高考)某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
下列说法正确的是( )
A.该装置将化学能转化为光能和电能
B.该装置工作时,H+从b极区向a极区迁移
C.每生成1molO2,有44gCO2被还原
D.a电极的反应为:
3CO2+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
4.(2016·南京二模)利用图中所示装置(电极均为惰性电极)可吸收SO2,并用阴极排出的溶液吸收NO2。
下列说法正确的是( )
A.a为直流电源的负极
B.阴极的电极反应式为2HSO
+2H++e-===S2O
+2H2O
C.阳极的电极反应式为SO2+2H2O-2e-===SO
+4H+
D.电解时,H+由阴极室通过阳离子交换膜到阳极室
5.(2014·新课标全国卷Ⅰ节选)H3PO2也可用电渗析法制备。
“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过):
(1)写出阳极的电极反应式_________________。
(2)分析产品室可得到H3PO2的原因______________。
(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2:
将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替。
并撤去阳极室与产品室之间的阳膜,从而合并了阳极室与产品室。
其缺点是产品中混有________杂质。
该杂质产生的原因是_________。
【答案】
(1)2H2O-4e-===O2↑+4H+
(2)阳极室的H+穿过阳膜扩散至产品室,原料室的H2PO
穿过阴膜扩散至产品室,二者反应生成H3PO2
(3)PO
H2PO
或H3PO2被氧化
考点3|金属的腐蚀与防护
固本探源
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
金属跟非金属单质或电解质溶液直接接触
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
水膜酸性较弱或呈中性
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
铁锈的形成:
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。
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。
(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。
典例引领
[典例3] (2015·上海高考)研究电化学腐蚀及防护的装置如图所示。
下列有关说法错误的是( )
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为:
O2+2H2O+4e-===4OH-
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为:
2H++2e-===H2↑
考点精析
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。
题组强化
●题组1—金属腐蚀的类型
1.(2012·山东高考)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是( )
A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重
B.图b中,开关由M改置于N时,CuZn合金的腐蚀速率减小
C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的速率也增大
D.图d中,ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
2.用如图所示装置进行实验,下列叙述不正确的是( )
A.K与N连接时,铁被腐蚀
B.K与N连接时,石墨电极产生气泡
C.K与M连接时,一段时间后溶液的pH增大
D.K与M连接时,石墨电极反应:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
3.(2014·安徽高考)某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素,将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于锥形瓶底部,塞上瓶塞(如图1)。
从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液,同时测量容器中的压强变化。
图1 图2 图3
(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格):
编号
实验目的
碳粉/g
铁粉/g
醋酸/%
①
为以下实验作参照
0.5
2.0
90.0
②
醋酸浓度的影响
0.5
36.0
③
0.2
2.0
90.0
(2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图2。
t2时,容器中压强明显小于起始压强,其原因是铁发生了________腐蚀,请在图3中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向;此时,碳粉表面发生了________(填“氧化”或“还原”)反应,其电极反应式是_____________________。
(3)该小组对图2中0~t1时压强变大的原因提出了如下假设,请你完成假设二:
假设一:
发生析氢腐蚀产生了气体;
假设二:
__________;
……
(4)为验证假设一,某同学设计了检验收集的气体中是否含有H2的方案。
请你再设计一个实验方案验证假设一,写出实验步骤和结论。
实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):
【答案】
(1)②2.0 ③碳粉含量的影响
(2)吸氧 见右图 还原 O2+2H2O+4e-===4OH-(或4H++O2+4e-===2H2O)
(3)反应放热,温度升高
(4)实验步骤和结论(不要求写具体操作过程):
①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导气管);
②通入氩气排净瓶内空气;
③滴入醋酸溶液,同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化、检验Fe2+等)。
如果瓶内压强增大,假设一成立。
否则假设一不成立。
(本题属于开放性试题,合理答案均给分)
[归纳总结]
金属腐蚀类型判断
(1)金属与电解质溶液、O2、Cl2等直接反应为化学腐蚀。
(2)金属活动顺序表氢前金属,在酸性较强的溶液中发生析氢腐蚀,在潮湿空气、酸性很弱或中性溶液发生吸氧腐蚀。
(3)金属活动顺序表中排在氢之后金属的电化腐蚀均为吸氧腐蚀。
●题组2—金属腐蚀的防护
4.(2013·北京高考)下列金属防腐的措施中,使用外加电流的阴极保护法的是( )
A.水中的钢闸门连接电源的负极
B.金属护栏表面涂漆
C.汽车底盘喷涂高分子膜
D.地下钢管连接镁块
5.电化学原理在防止金属腐蚀、能量转换、物质合成等方面应用广泛。
图1 图2
(1)图1中,为了减缓海水对钢闸门A的腐蚀,材料B可以选择________(填字母)。
a.碳棒 b.锌板 c.铜板
用电化学原理解释材料B需定期拆换的原因:
__________________。
(2)图2中,钢闸门C作________极。
若用氯化钠溶液模拟海水进行实验,D为石墨块,则D上的电极反应为_______________,
检测该电极反应产物的方法是____________________。
【答案】
(1)b 锌等作原电池的负极,(失电子,Zn-2e-===Zn2+)不断遭受腐蚀,需定期拆换
(2)阴 2Cl--2e-===Cl2↑ 将湿润的淀粉碘化钾试纸放在阳极附近,试纸变蓝,证明生成氯气(或取阳极附近溶液滴加淀粉KI溶液,变蓝)
课堂小结
(教师用书独具)
1.牢记2个概念
(1)电解:
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
(2)电解池:
把电能转变为化学能的装置。
2.明确电子、离子的迁移方向
(1)电子:
电源负极→电解池阴极;电解池阳极→电源正极。
(2)离子:
阳离子→电解池阴极;阴离子→电解池阳极。
3.牢记电解池两极的放电顺序
(1)阴极:
阳离子放电顺序:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
(2)阳极:
活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
分层限时跟踪练(二十一)
(限时:
45分钟)
1.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+
2.下列有关钢铁腐蚀和防护的说法不正确的是( )
A.自行车的钢圈上镀一层铬,防止生锈
B.外加直流电源保护钢闸门时,钢闸门与电源的负极相连
C.钢铁发生吸氧腐蚀的正极反应:
2H2O+O2+4e-===4OH-
D.钢铁发生析氢腐蚀的负极反应:
Fe-3e-===Fe3+
3.(2012·海南高考)下列各组中,每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是( )
A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2
B.NaOH、CuSO4、H2SO4
C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2
D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
4.(2012·上海高考)如图装置中发生反应的离子方程式为:
Zn+2H+===Zn2++H2↑,下列说法错误的是( )
A.a、b不可能是同种材料的电极
B.该装置可能是电解池,电解质溶液为稀盐酸
C.该装置可能是原电池,电解质溶液为稀盐酸
D.该装置可看作是铜锌原电池,电解质溶液是稀硫酸
5.图Ⅰ的目的是精炼铜,图Ⅱ的目的是保护钢闸门。
下列说法不正确的是( )
A.图Ⅰ中a为纯铜
B.图Ⅰ中SO
向b极移动
C.图Ⅱ中如果a、b间连接电源,则a连接负极
D.图Ⅱ中如果a、b间用导线连接,则X可以是铜
6.关于如图所示各装置的叙述中,正确的是( )
A.装置甲是原电池,总反应是Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+
B.装置甲中,铁作负极,负极反应式为Fe3++e-===Fe2+
C.装置乙通电一段时间后石墨Ⅱ电极附近溶液红褐色加深
D.若用装置丙精炼铜,则d极为粗铜,c极为纯铜,电解质溶液为CuSO4溶液
7.(2016·合肥第一次质检)观察下列几个装置示意图,有关叙述正确的是
( )
甲 乙
丙 丁
A.装置甲中阳极上析出红色固体
B.装置乙中铜片应与电源负极相连
C.装置丙中外电路电流方向:
b极→a极
D.装置丁中阴极反应:
2Cl--2e-===Cl2↑
8.如图所示的电化学装置,下列叙述正确的是( )
A.a和b用导线连接,电子由碳经过导线流向铁
B.a和b用导线连接,铁电极的电极反应式为:
Fe-3e-===Fe3+
C.a、b分别连接直流电源正、负极,可以防止铁被腐蚀
D.a、b分别连接直流电源负、正极,电压足够大时,Na+向铁电极移动
9.将含有CuSO4、NaCl、KNO3各1mol的溶液分别置于甲、乙、丙三个烧杯中进行电解(电极均为石墨且质量相等),如图1所示。
接通电源一段时间后,b电极质量增加;常温下,三个烧杯中溶液的pH随通电时间的变化如图2。
图1
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- 第六 三节 电解池 金属 腐蚀 防护