2020届高考化学一轮复习电解池　金属的腐蚀与防护学案(1)

2020届高考化学一轮复习电解池　金属的腐蚀与防护学案(1)

第三节　电解池　金属的腐蚀与防护 ‎[高考备考指南]‎ 考纲定位 ‎1.理解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应和总反应方程式。‎ ‎2.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。‎ 核心素养 ‎1.实验探究——发现和提出有价值的化学问题(电解实验探究)能依据目的设计并优化方案，完成实验操作。‎ ‎2.社会责任——关注化学有关热点问题(电解法处理废水、冶炼金属、金属防护等)，具有可持续发展的意识。‎ ‎　电解原理及规律 ‎(对应复习讲义第74页)‎ ‎1．电解 ‎2．电解池 ‎(1)定义：电解池是把电能转变为化学能的装置。‎ ‎(2)电解池的构成条件：‎ ‎①有外接直流电源。‎ ‎②有与电源相连的两个电极。‎ ‎③形成闭合回路。‎ ‎④电解质溶液或熔融电解质。‎ ‎(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)‎ ‎(4)电解原理示意图 ‎1．两极放电(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＋。‎ ‎(2)阳极：金属(Au、Pt除外)电极>S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根离子。‎ ‎[注]　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。‎ ‎2．以惰性电极电解电解质溶液的规律 类型 实例 阴、阳极电极反应 总反应方程式 pH 电解质溶 液复原 电解 水型 NaOH H2SO4‎ Na2SO4‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑、4OH－－4e－===2H2O＋O2↑‎ ‎2H2O2H2↑＋O2↑‎ 增大 加水 减小 加水 不变 加水 电解 电解 质型 HCl ‎2H＋＋2e－===H2↑、2Cl－－2e－===Cl2↑‎ ‎2HClH2↑＋Cl2↑‎ 增大 加氯化氢 CuCl2‎ Cu2＋＋2e－===Cu、2Cl－－2e－===Cl2↑‎ CuCl2Cu＋Cl2↑‎ ‎－‎ 加氯化铜 放H2‎ 生碱 型 NaCl ‎2H＋＋2e－===H2↑、2Cl－－2e－===Cl2↑‎ ‎2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑‎ 增大 加氯 化氢 放O2‎ 生酸 型 CuSO4‎ Cu2＋＋2e－===Cu、4OH－－4e－===O2‎ ‎2CuSO4＋2H2O2H2SO4＋2Cu＋O2↑‎ 减小 加氧化铜 ‎↑＋2H2O 角度1　电解原理分析 ‎1．如图所示为用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图，其原理是TiO2中的氧解离进入熔融盐中而得到纯钛。下列说法中正确的是(　　)‎ A．a极是正极，石墨极是阴极 B．反应后，石墨电极的质量不发生变化 C．电解过程中，O2－、Cl－均向a极移动 D．阴极的电极反应式为TiO2＋4e－===Ti＋2O2－‎ D　[TiO2发生还原反应得到纯钛，故加入高纯TiO2的电极是电解池的阴极，a极是电源的负极，石墨极是阳极，A项错误；O2－在阳极发生氧化反应生成O2，高温下，石墨与O2反应生成CO、CO2，导致石墨质量减小，B项错误；电解过程中，阴离子向阳极(石墨极)移动，C项错误；TiO2中的氧解离进入熔融盐而得到纯钛，发生了还原反应，生成了Ti和O2－，D项正确。]‎ ‎2．如图所示，在一定电压下用惰性电极电解由等物质的量浓度的FeCl2、HCl组成的混合溶液。已知在此电压下，阴、阳离子根据放电能力顺序，都可能在阳极放电，下列分析正确的是(　　)‎ A．C1电极上的电极反应式为2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑‎ B．C1电极处溶液首先变黄色 C．C2电极上可依次发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋、2Cl－－2e－===Cl2↑‎ D．当C1电极上有2 g物质生成时，就会有2NA个电子通过溶液发生转移 C　[C1电极与电源的负极相连，作阴极，溶液中的H＋在阴极放电，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，A错误；C1电极上H＋放电生成H2，C2电极与电源的正极相连，作阳极，Fe2＋的还原性强于Cl－，则依次发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋、2Cl－－2e－===Cl2↑，故C2电极处溶液先变黄色，B错误，C正确；电子只能通过导线传递，不能通过溶液传递，D错误。]‎ 阴、阳极的判断方法 ‎(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)。‎ 角度2　电解池中电极反应式与电解方程式的书写 ‎3．按要求书写 ‎(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)以铝材为阳极，在H2SO4溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极反应式为________________________________________________________________________；‎ 阴极反应式为________________________________________________________________________。‎ ‎(3)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：________________________________________________________________________。‎ ‎(4)用铁作电极电解NaOH溶液 阳极反应式：________________________________________________________________________；‎ 阴极反应式：________________________________________________________________________；‎ 总反应方程式：________________________________________________________________________。‎ ‎(5)惰性电极电解浓度均为0.1 mol/L的NaCl和CuSO4的等量混合液，电解过程分三个阶段，写出三个阶段的两极反应式：第一阶段：__________，__________；第二阶段：__________，__________；第三阶段：____________，__________。‎ ‎[答案]　(1)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O ‎4Ag＋＋4e－===4Ag ‎4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋‎ ‎(2)2Al－6e－＋3H2O===Al2O3＋6H＋　6H＋＋6e－===3H2↑‎ ‎(3)2Cl－－2e－===Cl2↑‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑‎ Mg2＋＋2Cl－＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑‎ ‎(4)Fe－2e－＋2OH－===Fe(OH)2‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑‎ Fe＋2H2OFe(OH)2＋H2↑‎ ‎(5)第一阶段：‎ 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu 阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑‎ 第二阶段：‎ 阴极：Cu2＋＋2e－===Cu 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑‎ 第三阶段：‎ 阴极：2H＋＋2e－===H2↑‎ 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑‎ 书写电解池电极方程式的常见失分点 ‎(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)要确保两极电子转移数目相同，且总反应式注明条件“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。‎ ‎　电解原理的应用 ‎(对应复习讲义第75页)‎ ‎1．氯碱工业 ‎(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＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑‎ ‎(3)氯碱工业生产流程图 ‎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 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 CuSO4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 ‎ 3.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。‎ ‎(1)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。(　　)‎ ‎(2)电解饱和食盐水时，两个电极均不能用金属材料。(　　)‎ ‎(3)电解冶炼镁、铝通常电解熔融MgCl2和Al2O3，也可以电解熔融MgO和AlCl3。(　　)‎ ‎(4)电解精炼时，阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。(　　)‎ ‎(5)用Zn作阳极，Fe作阴极，ZnCl2作电解质溶液，由于放电顺序H＋＞Zn2＋，不可能在铁上镀锌。(　　)‎ ‎[提示]　(1)×　(2)×　(3)×　(4)√　(5)×‎ 角度1　电解原理的一般应用 ‎1．(1)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________________________________________________________________________。‎ ‎(2)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼，下列说法正确的是________。‎ a．电能全部转化为化学能 b．粗铜接电源正极，发生氧化反应 c．溶液中Cu2＋向阳极移动 d．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属 ‎[答案]　(1)c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe2＋的形式进入电解质溶液中　(2)bd ‎2．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。‎ 利用如图所示装置电解制备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”)。‎ ‎[解析]　根据电解装置图，两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液，B极区产生H2，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，剩余OH－与Li＋结合生成LiOH，所以B极区电解液应为LiOH溶液，B电极为阴极，则A电极应为阳极。阳极区电解液应为LiCl溶液，电极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑。根据电流方向，电解过程中Li＋向B电极迁移。‎ ‎[答案]　LiOH　2Cl－－2e－===Cl2↑　B 角度2　电解原理的创新应用 ‎3．(2017·全国卷Ⅱ)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜，电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。下列叙述错误的是(　　)‎ A．待加工铝质工件为阳极 B．可选用不锈钢网作为阴极 C．阴极的电极反应式为Al3＋＋3e－===Al D．硫酸根离子在电解过程中向阳极移动 C　[该电解池阳极发生的电极反应为2Al＋3H2O－6e－===Al2O3＋6H＋，铝化合价升高失电子，所以待加工铝质工件应为阳极，A正确。‎ 阴极发生的电极反应为2H＋＋2e－===H2↑，阴极可选用不锈钢网作电极，B正确，C错误。‎ 电解质溶液中的阴离子向阳极移动，D正确。]‎ ‎4．(2016·全国卷Ⅰ)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1 mol电子的电量时，会有0.5 mol的O2生成 B　[A项，正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，由于生成H＋，正极区溶液中阳离子增多，故中间隔室的SO向正极迁移，正极区溶液的pH减小。B项，负极区发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，阴离子增多，中间隔室的Na＋向负极迁移，故负极区产生NaOH，正极区产生H2SO4。C项，由B项分析可知，负极区产生OH－，负极区溶液的pH升高。D项，正极区发生的反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，当电路中通过1 mol电子的电量时，生成0.25 mol O2。]‎ ‎5．(2018·全国卷Ⅲ，T27(3))KIO3也可采用“电解法”制备，装置如图所示。‎ ‎(1)写出电解时阴极的电极反应式________________________________________________________________________‎ ‎________________________________________________________________________。‎ ‎(2)电解过程中通过阳离子交换膜的离子主要为________，其迁移方向是________。‎ ‎(3)与“电解法”相比，“KClO3氧化法”的主要不足之处有________________________(写出一点)。‎ ‎[解析]　(1)电解法制备KIO3时，H2O在阴极得到电子，发生还原反应：2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑。(2)电解池中阳离子向阴极移动，即由电极a向电极b迁移，阳离子交换膜只允许阳离子通过，故主要是K＋通过阳离子交换膜。(3)根据工艺流程分析，KClO3氧化法生成的Cl2有毒，且在调pH时加入KOH的量不易控制，另外，生成的KIO3中杂质较多。‎ ‎[答案]　(1)2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑　(2)K＋　由a到b　(3)产生Cl2易污染环境等 常见交换膜介绍 ‎(1)阳离子交换膜：只允许阳离子通过，阴离子不能通过；‎ ‎(2)阴离子交换膜：只允许阴离子通过，阳离子不能通过；‎ ‎(3)质子交换膜：只允许H＋通过，其他离子不能通过。‎ ‎　金属的腐蚀与防护 ‎(对应复习讲义第77页)‎ ‎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．化学腐蚀与电化学腐蚀 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 定义 金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2等)或非电解质液体等直接发生化学反应引起的腐蚀 不纯金属与电解质溶液接触，会形成原电池，‎ 较活泼的金属失去电子被氧化腐蚀 特点 无电流产生 有微弱电流产生 普遍性 金属的电化学腐蚀比较普遍，而且危害性大，腐蚀速率大 ‎3.钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 水膜酸性 较强 较弱或中性 负极反应 Fe－2e－===Fe2＋‎ 正极反应 ‎2H＋＋2e－‎ ‎===H2↑‎ O2＋2H2O＋4e－‎ ‎===4OH－‎ 总反应 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑‎ ‎2Fe＋O2＋2H2O ‎===2Fe(OH)2‎ 其他反应 ‎4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3、‎ Fe(OH)3→Fe2O3·xH2O(铁锈)‎ 普遍性 吸氧腐蚀更普遍 ‎4.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)加保护层，如电镀、喷漆、覆膜等。‎ ‎(1)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。(　　)‎ ‎(2)钢铁发生电化学腐蚀的负极反应式为Fe－3e－===Fe3＋。(　　)‎ ‎(3)镀铜铁制品镀层受损后，铁制品比受损前更容易生锈。(　　)‎ ‎(4)在潮湿空气中，钢铁表面形成水膜，金属发生的一定是吸氧腐蚀。(　　)‎ ‎(5)铜合金中铜在酸性较强的环境中可发生析氢腐蚀。(　　)‎ ‎[提示]　(1)√　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×‎ 角度1　金属腐蚀快慢分析 ‎1．(2019·海淀月考)下列铁制品(铁钉或钢铁管道)易被腐蚀的是(　　)‎ D　[A项，Fe被电源保护；B项，钢铁输水管被Mg保护；C项，铁管道被Zn保护；D项，Cu使Fe发生电化学腐蚀。]‎ ‎2．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁(含杂质C)在其中被腐蚀由快到慢的顺序为(　　)‎ A．②①③④⑤⑥　　　　　‎ B．⑤④③①②⑥‎ C．⑤④②①③⑥ ‎ D．⑤③②④①⑥‎ C　[①②③④是原电池，⑤⑥是电解池，金属被腐蚀由快到慢的顺序是：电解池的阳极>原电池的负极>原电池的正极>电解池的阴极。]‎ 判断金属腐蚀快慢的方法 ‎(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀的快慢：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。‎ ‎(2)对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。‎ ‎(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，腐蚀越快。‎ ‎(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀速率越快。‎ 角度2　金属的电化学腐蚀与防护 ‎3．(2017·全国卷Ⅰ)‎ 支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是(　　)‎ A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整 C　[A项，外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流。‎ B项，被保护的钢管桩作阴极，高硅铸铁作阳极，电解池中外电路电子由阳极流向阴极，即从高硅铸铁流向钢管桩。‎ C项，高硅铸铁为惰性辅助阳极，其主要作用是传递电流，而不是作为损耗阳极。‎ D项，保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流，应根据环境条件变化进行调整。]‎ ‎4．利用下图装置进行实验，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处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小 B．一段时间后，a管液面高于b管液面 C．a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀 D．a、b两处具有相同的电极反应式：Fe－2e－===Fe2＋‎ A　[左边是发生吸氧腐蚀，右边发生析氢腐蚀。a处氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，铁失电子生成二价铁离子，氢氧根离子和二价铁离子反应生成氢氧化亚铁沉淀，所以溶液的pH变化不大，b处氢离子发生还原反应生成氢气，溶液的pH增大，故A错误。]‎