第19讲--电解池--金属的电化学腐蚀与防护(讲)(全国通用)(原卷版).docx

第19讲 电解池　金属的电化学腐蚀与防护
目录
第一部分：网络构建（总览全局）
第二部分：知识点精准记忆
第三部分：典型例题剖析
高频考点1 考查电解规律及电极产物的判断
高频考点2 考查电极反应式的书写与正误判断
高频考点3 考查电解原理的应用
高频考点4 考查金属腐蚀与防护
高频考点5　考查电子守恒在电化学计算中的应用
正文
第一部分：网络构建（总览全局）

第二部分：知识点精准记忆
知识点一 电解的原理
1.电解和电解池
(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。
(2)电解池：电能转化为化学能的装置。
(3)电解池的构成
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。
2.电解池的工作原理
(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl2溶液为例)

总反应式：CuCl2Cu＋Cl2↑
(2)电解过程的三个流向

①电子流向：电源负极→电解池阴极；电解池的阳极→电源的正极；
②离子流向：阳离子→电解池的阴极，阴离子→电解池的阳极。
③电流方向：电源正极→电解池阳极→电解质溶液→阴极→负极。
3.电极产物判断
(1)阳极产物的判断
①活性电极(除Au、Pt以外的金属材料作电极)，电极材料失电子，生成金属阳离子。
②惰性电极(Pt、Au、石墨)，要依据阴离子的放电顺序加以判断。
阴离子的放电顺序：
活泼电极＞S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞OH－＞含氧酸根离子。
S2－、I－、Br－、Cl－放电，产物分别是S、I2、Br2、Cl2；若OH－放电，则得到H2O和O2。
(2)阴极产物的判断
直接根据阳离子放电顺序进行判断。
阳离子放电顺序：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋(酸)＞Fe2＋＞Zn2＋＞H＋(水)＞Al3＋＞Mg2＋。
①若金属阳离子(Fe3＋除外)放电，则得到相应金属单质；若H＋放电，则得到H2。
②放电顺序本质遵循氧化还原反应的优先规律，即得(失)电子能力强的离子先放电。
4.电极反应式、电解方程式的书写
(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，找全离子并分阴离子、阳离子两组(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。
(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，并注明“电解”条件。
【特别提醒】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，注意离子导体(电解质)是水溶液还是非水状态。②阳极材料不同，电极产物、电极反应式可能不同，最常用、最重要的放电顺序为阳极：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书写电解池中的电极反应式时，要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。⑤电解质溶液中未参与放电的离子是否与放电后生成的离子发生反应(离子共存)。⑥要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。
5.阴、阳极的判断方法
(1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。
(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)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
(5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O2(或阳极区酸性增强)或Cl2;阴极——析出金属、逸出H2(或阴极区碱性增强)。
(6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。
6.用惰性电极电解电解质溶液的规律
(1)电解溶剂水型
电解质类型
电极反应式及总反应式
电解质溶液浓度
溶液pH
电解质溶液复原
含氧酸，如H2SO4
阴极：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－
阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
总反应式：2H2O2H2↑＋O2↑
增大
减小
加水
可溶性强碱，如NaOH
增大
活泼金属含氧酸盐，如KNO3
不变
(2)电解溶质型
电解质
类型
电极反应式
及总反应式
电解质
溶液
浓度
溶液
pH
电解质
溶液
复原
无氧酸，如HCl
阴极：2H＋＋2e－===H2↑
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
总反应式：2HClH2↑＋Cl2↑
减小
增大
通入
HCl
气体
不活泼金属无氧酸盐，如CuCl2
阴极：Cu2＋＋2e－===Cu
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
总反应式：CuCl2Cu＋Cl2↑

加入
CuCl2
固体
(3)电解溶质和溶剂水型，生成H2和碱（析氢生碱型）：
电解质
(水溶液)
电极反应式及总反应式
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：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
总反应式：2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－
生成新
电解质
增大
通入
HCl
气体
(4)电解溶质和溶剂水型，生成O2和酸（放氧生酸型）
电解质
(水溶液)
电极反应式
及总反应式
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：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
阴极：2Cu2＋＋4e－===2Cu
总反应式：2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋
生成新
电解质
减小
加CuO
或CuCO3
知识点二 电解原理的应用
1.氯碱工业

阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)
阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)
总反应方程式：
2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑
2.电镀与电解精炼

电镀
电解精炼铜
示意图

电极反应
阳极
Cu－2e－===Cu2＋
Zn－2e－===Zn2＋，Cu－2e－===Cu2＋
阴极
Cu2＋＋2e－===Cu
Cu2＋＋2e－===Cu
电解质溶液的浓度变化
CuSO4溶液的浓度不变
CuSO4溶液的浓度变小
注意：电解精炼铜时，阳极质量减小，阴极质量增加，溶液中的Cu2＋浓度减小。粗铜中不活泼的杂质(金属活动性顺序中位于铜之后的银、金等)，在阳极难以失去电子，当阳极上的铜失去电子变成离子之后，它们以金属单质的形式沉积于电解槽的底部，成为阳极泥。
3.电冶金
电解冶炼
冶炼钠
冶炼镁
冶炼铝
电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑
阴极：2Na＋＋2e－===2Na
阳极：2Cl－2e－===Cl2↑
阴极：Mg2＋＋2e－===Mg
阳极：6O2－－12e－===3O2↑
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al
总反应
2NaCl(熔融)2Na＋Cl2↑
MgCl2(熔融)Mg＋Cl2↑
2Al2O3(熔融)4Al＋3O2↑
【特别提醒】(1)氯碱工业所用的饱和食盐水需要精制，除去NaCl中混有的Ca2＋、Mg2＋、SO。
(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)电解熔融MgCl2冶炼镁，而不能电解MgO冶炼镁，是因为MgO的熔点很高；电解熔融Al2O3冶炼铝，而不能电解AlCl3冶炼铝，是因为AlCl3是共价化合物，其熔融态不导电。
知识点三 金属的腐蚀与防护
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）：
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
【特别提醒】①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钢铁暴露在潮湿空气中主要发生的是吸氧腐蚀，铁锈的形成过程中主要发生的反应为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。
【特别提醒】(1)钢铁发生电化学腐蚀时，负极铁去电子生成Fe2＋，而不是生成Fe3＋。
(2)金属腐蚀时，电化学腐蚀与化学腐蚀往往同时存在，但前者更普遍，危害也更严重。
(3)铜暴露在潮湿的空气中发生的是化学腐蚀，而不是电化学腐蚀，生成铜绿的化学成分是Cu2(OH)2CO3。
(4)两种保护方法的比较：外加电流的阴极保护法比牺牲阳极的阴极保护法保护效果好。
(5)金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀，金属活动顺序表中位于氢前面和氢后面的金属都能发生吸氧腐蚀，但只有在金属活动顺序表中氢前面的金属才可能发生析氢腐蚀。
知识点四 电化学有关计算
1.计算依据——三个相等
(1)同一原电池的正、负极的电极反应得、失电子数相等。
(2)同一电解池的阴极、阳极电极反应中得、失电子数相等。
(3)串联电路中的各个电极反应得、失电子数相等。
上述三种情况下，在写电极反应式时，得、失电子数要相等，在计算电解产物的量时，应按得、失电子数相等计算。
2.计算方法——三种常用方法
(1)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出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算，其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中分阶段电解的计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律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。
如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:
4e-~2Cl2(Br2、I2)~O2阳极产物~2H2~2Cu~4Ag~4nM阴极产物
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
提示：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA×1.60×10－19C来计算电路中通过的电量。
第三部分：典型例题剖析
高频考点1 考查电解规律及电极产物的判断
例1.(2021·安徽马鞍山一模)NCl3是一种黄色黏稠状液体，可用于制备新型消毒剂ClO2，其制备装置如图所示。下列说法正确的是(　　)

A.Pt极发生氧化反应，可用淀粉－KI试纸检验M
B.石墨极的反应式为NH＋6e－＋3Cl－===NCl3＋4H＋
C.电解过程中，质子交换膜右侧溶液pH会增大
D.每生成1 mol NCl3，会生成67.2 L气体M
【变式训练】(2021·全国乙卷，12)沿海电厂采用海水为冷却水，但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题， 通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示)，通入一定的电流。

下列叙述错误的是(　　)
A．阳极发生将海水中的Cl－氧化生成Cl2的反应
B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClO
C．阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气
D．阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
高频考点2 考查电极反应式的书写与正误判断
1．（2022·四川内江·模拟预测）某电化学装置如图所示，该装置能将CO2转化为燃料C2H5OH，从而实践“碳中和”。下列说法正确的是

A．该电化学装置实现“碳中和”的同时将光能转化为电能
B．该电化学装置工作时，溶液中的H+由a极区移向b极区
C．a电极的反应式为2CO2+12H++12e-=C2H5OH+3H2O
D．每生成3.36LO2，有4.4gCO2被还原
【变式训练】（2022·广东·模拟预测）如图电化学装置可制备偏钨酸铵(NH4)6(H2W12O40)，双极膜中间层中的水解离为H+和OH-，并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法错误的是

A．阳极发生氧化反应，电极反应为4NH3·H2O- 4e- = 4+ O2↑+2H2O
B．双极膜中间层中的OH-向左侧迁移进入碱室，a膜为阳离子交换膜
C．产品室发生反应： 12 +18H+ = [H2W12O40]6- +8H2O
D．当电路中通过4mol电子时，阴极室溶液的质量理论上增加72g
高频考点3 考查电解原理的应用
例3． (2021·四川达州一诊)二氧化氯是一种新型消毒剂，以氯酸钠为原料采用电解法制备二氧化氯装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A.电极B的材料是石墨
B.阴极区部分ClO2循环反应
C.产生ClO2的反应式为ClO＋ClO＋2H＋===2ClO2↑＋H2O
D.电解后阳极区溶液pH增大
【变式训练】(2021·重庆·模拟)用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。

下列说法中正确的是(　　)
A.若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO 除去
B.X极为石墨，该电极上发生氧化反应
C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D.电解时废水中会发生反应：4Fe2＋＋O2＋4H＋＋4PO===4FePO4↓＋2H2O
高频考点4 考查金属腐蚀与防护
例4.（2022·湖北·荆州中学三模）在硫酸盐还原细菌的作用下，深埋地下的铁管道与土壤中的硫酸根离子会发生电化学腐蚀，其原理如图所示。下列说法正确的是

A．铁管道发生的是吸氧腐蚀
B．铁管道附近土壤的pH会减小
C．铁管道上镀锌可以延缓管道的腐蚀
D．输送高温水蒸气的铁管道也会发生该类型腐蚀
【变式训练】（2022·上海宝山·一模）钢铁的电化学腐蚀主要是吸氧腐蚀(如图)和析氢腐蚀。关于这两种电化腐蚀的说法正确的是

A．两种电化腐蚀的电解质溶液酸碱性有差异
B．电化腐蚀比化学腐蚀危害更大的原因是发生了氧化还原反应
C．两种电化腐蚀中都是铁作为负极、发生还原反应
D．吸氧腐蚀正极的反应为：4OH--4e-→O2+2H2O
高频考点5　考查电子守恒在电化学计算中的应用
例5.（2022·江西宜春·模拟预测）在铜基配合物的催化作用下，利用电化学原理可将CO2还原为碳基燃料(包括CO、烷烃和羧酸等)，其装置原理如图所示。下列叙述正确的是

A．该装置工作时，H+穿过质子交换膜从右向左移动
B．图中石墨烯为阴极，电极反应式为CO2+2H+ +2e-=HCOOH
C．每转移2 mol电子，阴极室电解质溶液质量增加44 g
D．该装置工作过程中，图中Pt电极附近溶液的pH不变
【变式训练】（2022·河南·模拟预测）我国科学家开发了一款高压无阳极配置可充电钠电池，其充电过程的原理如图所示。下列说法正确的是

A．放电时，电子由b极经3A沸石分子筛膜流向a极
B．放电时，a极的电极反应式为Na++e-=Na
C．充电时，b极为阳极，发生还原反应
D．充电时，电路中每迁移2mol电子，理论上a极净增重46g