1、第三单元 电解池 金属的腐蚀与防护,一 电解池的工作原理及应用,二 金属的腐蚀与防护,教材研读,突破一 电解原理的应用,突破二 原电池、电解池、电镀池的比较,重难突破,突破三 电化学定量计算与“多池组合”电池,一、电解池的工作原理及应用 1.电解原理 (1)概念 电解:在直流电的作用下,在两电极上分别发生氧化反应和还原反应的 过程。,教材研读,电解池:将 电 能转化为 化学 能的装置。 阳极:与电源的 正 极相连的电极。 阴极:与电源的 负 极相连的电极。 (2)电解池的组成条件 直流电源;两个电极(活性电极或惰性电极);电解质溶液(或熔融电解质); 构成闭合回路。,(3)电子流向(4)电解结
2、果 在两极上发生氧化、还原反应,产生新的物质。 阳极上发生 氧化 反应;阴极上发生 还原 反应。,2.电解反应方程式的书写 步骤一:定离子,写电极反应。 先根据电解质的电离、水的电离,找出溶液中所有的离子;再结合离子 放电顺序,找出放电的离子,写出电极反应。 如电解CuCl2溶液,溶液中有CuCl2电离出来的 Cu2+ 、 Cl- ,水 电离出来的 H+ 、 OH- ;根据放电顺序,放电能力是Cl- OH-,Cu2+ H+,所以,阳极反应为 2Cl-2e- Cl2 ,阴极反 应为 Cu2+2e- Cu 。,离子放电顺序如下 (由难到易): 阳极(失电子):惰性电极(C、Pt)、F-、含氧酸根离
3、子、OH-、Cl-、Br-、I-、 S2-、金属电极 阴极(得电子):K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+、H+(水)、Zn2+、Fe2+、Sn2+、 Pb2+、H+(酸)、Cu2+、Fe3+、Hg2+、Ag+ 步骤二:两电极反应相加,得电解反应方程式。 如电解CuCl2溶液,两电极反应相加得电解反应: Cu2+2Cl- Cu+Cl2 。,3.电解原理的应用 (1)冶炼活泼金属 针对H+(水)之前的活泼金属,应该用非水溶液电解法冶炼。例如:,3.电解原理的应用 (1)冶炼活泼金属 针对H+(水)之前的活泼金属,应该用非水溶液电解法冶炼。例如:,(2)氯碱工业 a.概念:用电解饱和食盐水的
4、方法来制取NaOH、Cl2和H2,并以它们为原 料生产一系列化工产品的工业体系,叫氯碱工业。 b.原理:阳极(石墨)为 2Cl-2e- Cl2 ; 阴极(Fe)为 2H+2e- H2 ; c.总反应为 2Cl-+2H2O Cl2+H2+2OH- 。 装置:离子交换膜电解槽。其中离子交换膜是阳离子交换膜,Na+可以移,向 阴 极,而OH-却不能移向 阳 极。,二、金属的腐蚀与防护 1.金属的腐蚀 (1)化学腐蚀:金属与其他物质直接接触发生氧化还原反应而引起的腐 蚀。 (2)电化学腐蚀:不纯的金属或合金发生原电池反应,使较活泼的金属失 去电子被氧化而引起的腐蚀。电化学腐蚀又分为吸氧腐蚀和析氢腐 蚀
5、。,(3)吸氧腐蚀与析氢腐蚀(以钢铁为例),2.金属的防护 (1)改变金属内部结构,使其稳定。如制成不锈钢(铬钢、镍钢)。 (2)覆盖保护层,使金属与电解质溶液隔离,不能形成原电池。如涂油 漆、涂油、电镀、化学镀、覆盖搪瓷、表面钝化(形成一层致密的氧 化物保护膜)等。 (3)干燥,使其不能构成原电池。 (4)牺牲阳极的阴极保护法。如轮船上镶嵌锌板、钢闸门连锌块等,构 成原电池,比铁活泼的锌作 负 极。,(5)外加电流的阴极保护法被保护的金属作 阴 极。,1.某小组为研究电化学原理,设计了甲、乙、丙三种装置(C1、C2、C3均 为石墨)。下列叙述正确的是 ( C ),A.甲、丙中化学能转化为电能
6、,乙中电能转化为化学能 B.C1、C2分别是阳极、阴极;锌片、铁片上都发生氧化反应 C.C1上和C3上放出的气体相同,铜片上和铁片上放出的气体也相同 D.甲中溶液的pH逐渐增大,丙中溶液的pH逐渐减小,2.用惰性电极进行电解,下列说法正确的是 ( D ) A.电解稀硫酸,实际上是电解水,故溶液的pH不变 B.电解稀氢氧化钠溶液,要消耗OH-,故溶液的pH降低 C.电解硫酸钠溶液,阴极上和阳极上生成产物的物质的量之比为12 D.电解氯化铜溶液,阴极上和阳极上生成产物的物质的量之比为11,3.用惰性电极电解物质的量浓度相同、体积比为31的CuSO4溶液和 NaCl溶液的混合溶液,不可能发生的反应是
7、 ( C ) A.2Cu2+2H2O 2Cu+4H+O2 B.Cu2+2Cl- Cu+Cl2 C.2Cl-+2H2O 2OH-+H2+Cl2 D.2H2O 2H2+O2,4.用惰性电极电解M(NO3)x的水溶液,当阴极质量增加a g时,在阳极上产 生b L氧气(标准状况),则M的相对原子质量是 ( C ) A. B. C. D.,突破一 电解原理的应用,重难突破,1.电解时电极产物的判断,2.电极反应式的书写 (1)根据装置书写 根据电源确定阴、阳两极确定阳极是否是活性电极根据电极类 型及电解质溶液中阴、阳离子的放电顺序写出电极反应式。 在确保阴、阳两极转移电子数目相同的条件下,将两极电极反应
8、式合 并即得总反应式。,(2)由氧化还原反应方程式书写电极反应式 找出发生氧化反应和还原反应的物质两极名称和反应物利用得 失电子守恒分别写出两极反应式。 若写出一极反应式,而另一极反应式不好写,可用总反应式减去已写 出的电极反应式即得另一电极反应式。,3.电解方程式的书写 (1)必须在等号上标明通电或电解。 (2)只是电解质被电解,电解方程式中只写电解质及电解产物。如电解 CuCl2溶液:CuCl2 Cu+Cl2。 (3)只是水被电解,只写水及电解产物即可。如电解稀硫酸、电解NaOH 溶液、电解Na2SO4溶液时,电解方程式可以写为2H2O 2H2+O2。 (4)电解质、水同时被电解,则都要写
9、进方程式。如电解饱和食盐水:,2NaCl+2H2O H2+Cl2+2NaOH。,典例1 某同学按如图所示的装置进行实验,A、B为两种常见金属,它 们的硫酸盐可溶于水。当K闭合时,在阴离子交换膜处S 从右向左移 动。下列分析正确的是 ( D ),A.溶液中c(A2+)浓度减小 B.B极的电极反应式B-2e- B2+ C.y电极上有H2产生,发生还原反应 D.反应初期,x电极周围出现白色胶状沉淀,不久沉淀溶解,解析 当K闭合时,在阴离子交换膜处S 从右向左移动,说明A为负极, B为正极,原电池中负极A上金属失电子发生氧化反应,生成金属阳离子 进入溶液导致溶液中c(A2+)增大,故A错误;B极溶液中
10、的金属阳离子得电 子生成金属单质,电极反应式为B2+2e- B,故B错误;右侧装置中连接 B的y极为阳极,连接A的x极为阴极,电解池工作时,y极上氯离子失电子, 发生氧化反应,电极反应式为2Cl-2e- Cl2,故C错误;右侧装置中x极 上发生的电极反应为2H+2e- H2,由于氢离子放电而氢氧根离子,不放电导致溶液呈碱性,铝离子和氢氧根离子反应生成难溶性的氢氧化 铝,随着反应的进行,氢氧根离子浓度变大,氢氧化铝和氢氧根离子反应 生成偏铝酸根离子,沉淀溶解,故D正确。,1-1 某科研小组研究采用BMED膜堆(示意图如下),模拟以精制浓海水 为原料直接制备酸和碱。BMED膜堆包括阳离子交换膜、阴
11、离子交换 膜和双极膜(A、D)。已知:在直流电源的作用下,双极膜内中间界面层 中的水发生电离,生成H+和OH-。下列说法错误的是 ( B ),A.电极a连接电源的正极 B.B为阳离子交换膜 C.电解质溶液采用Na2SO4溶液可避免有害 气体的产生,D.口排出的是淡水,解析 根据题干信息确定该装置为电解池,阴离子向阳极移动,阳离子 向阴极移动,所以电极a为阳极,连接电源的正极,A正确;水在双极膜A内 电离后,氢离子吸引阴离子透过B膜到B膜左侧形成酸,B为阴离子交换 膜,B错误;电解质溶液采用Na2SO4溶液,电解时生成氢气和氧气,可避免 有害气体的产生,C正确;海水中的阴、阳离子透过两侧交换膜向
12、两侧移 动,淡水从口排出,D正确。,1-2 (1)二氧化氯(ClO2)为一种黄绿色气体,是国际上公认的高效、广 谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新 工艺。,图中用石墨作电极,在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2。则 阳极产生ClO2的电极反应式为 。 电解一段时间,当阴极产生的气体体积为112 mL(标准状况)时,停止 电解。通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为 mol;用平衡 移动原理解释阴极区pH增大的原因: 。,(2)为提高甲醇燃料的利用率,科学家发明了一种燃料电池,电池的一个 电极通入空气,另一个电极通入甲醇气体,电解质是掺入了Y2O3的ZrO2 晶体,
13、在高温下它能传导O2-。电池工作时正极反应式为 。若以该电池为电源,用石墨作电极电解100 mL含有以下离子的 溶液。,电解一段时间后,当两极收集到相同体积(相同条件)的气体时(忽略 溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象),阳极上收集到氧气 的物质的量为 mol。 答案 (1)Cl-5e-+2H2O ClO2+4H+ 0.01 在阴极发生反应2 H+2e- H2,H+浓度减小,使H2O H+OH-的平衡向右移动,OH-浓 度增大,pH增大 (2)O2+4e- 2O2- 0.1,解析 (1)阳极失去电子,发生氧化反应。水电离产生的H+在阴极 上放电产生氢气,转移电子的物质的量n(e-)=2
14、n(H2)=2(0.112 L22.4 L mol-1)=0.01 mol,则在内电路中移动的电荷为0.01 mol,每个Na+带一个单 位的正电荷,则通过的Na+为0.01 mol。(2)电池工作时,正极上O2得电子 发生还原反应生成O2-。结合离子浓度可知电解过程可分为三个阶段: 先是电解CuCl2、然后电解HCl、最后电解水,由此可见阴极首先析出 0.1 mol Cu(同时阳极生成0.1 mol Cl2),然后生成氢气;阳极上先是生成 0.2 mol Cl2(此时阴极已生成0.1 mol H2),再生成氧气,设阳极生成x mol O2,时两极生成气体体积相等,由题意可得:0.2+x=0.
15、1+2x,解得x=0.1。,突破二 原电池、电解池、电镀池的比较,典例2 如图所示,某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。请按要求回答相关问题:,(1)甲烷燃料电池负极反应式是 。 (2)石墨(C)极的电极反应式为 。 (3)若在标准状况下,有2.24 L氧气参加反应,则乙装置中铁极上生成的气 体体积为 L;丙装置中阴极析出铜的质量为 g。 (4)某同学利用甲烷燃料电池设计电解法制取漂白液或Fe(OH)2的实验 装置如图所示。,若用于制漂白液,a为电池的 极,电解质溶液最好用 。 若用于制Fe(OH)2,使用硫酸钠作电解质溶液,阳极选用 作电
16、极。,答案 (1)CH4-8e-+10OH- C +7H2O (2)2Cl-2e- Cl2 (3)4.48 12.8 (4)负 饱和氯化钠溶液或食盐水 铁,解析 (1)甲烷燃料电池负极上发生氧化反应,即甲烷在负极上被氧化, 在KOH溶液中甲烷被氧化的产物为碳酸钾,负极反应式为CH4-8e-+10 OH- C +7H2O。(2)原电池的负极与电解池的阴极相接,铁极为阴 极,则C极为阳极,在C极上发生氧化反应,电极反应式为2Cl-2e- Cl2 。(3)n(O2)= =0.1 mol,甲池中正极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-,经过甲、乙、丙装置的电子的物质的量为0.4 mol。铁极为 阴极
17、,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- 2OH-+H2,n(H2)=,=0.2 mol,V(H2)=0.2 mol22.4 Lmol-1=4.48 L。丙池中精铜为阴 极,发生还原反应,电极反应式为Cu2+2e- Cu,n(Cu)= =0.2 mol, m(Cu)=0.2 mol64 gmol-1=12.8 g。(4)漂白液的有效成分是次氯酸钠,制 备原理是2Cl-+2H2O 2OH-+Cl2+H2,Cl2+2OH- Cl-+ClO-+H2O,气体与液体反应,气体应在下端产生,所以该装置的B端为阳极,A端为阴极,阴极与电源负极相连,故a极为负极;电解质溶液最好用饱和氯化钠溶液。若制备氢氧
18、化亚铁,用硫酸钠溶液作电解质溶液,应选用铁作阳极。,2-1 某同学用下图所示装置进行铜的电解精炼实验(粗铜中有锌、 铁、镍、银等杂质,部分导线未画出),下列说法正确的是 ( B ) A.a应与c相连接,b应与d相连接 B.电解一段时间,b与d两极析出物质的物质的量相等 C.电解一段时间,b极附近溶液的pH减小 D.电解过程中,Y池中Cu2+的浓度始终不变,解析 X池中Zn为负极,接Y池的纯铜,X池中Cu为正极,接Y池的粗铜,故 A错误;b极电极反应式为2H+2e- H2,d极电极反应式为Cu2+2e-Cu,所以电解一段时间后,b、d两极析出物质的物质的量相同,故B 正确;b极电极反应式为2H+
19、2e- H2,电解一段时间后b极附近溶液 pH增大,故C错误;粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,电解过程中Y池中Cu2+ 浓度减小,故D错误。,2-2 依据下面的甲、乙、丙三图,判断下列叙述不正确的是 ( B )A.甲是原电池,乙是电镀装置 B.甲、乙装置中,锌极上均发生氧化反应 C.乙装置中,铜极因发生氧化反应而溶解 D.乙装置中,c(Cu2+)不变,丙装置中,c(Cu2+)减小,解析 甲是铜锌原电池,乙是在Zn片上镀铜的电镀池,丙是铜的精炼装置。,突破三 电化学定量计算与“多池组合”电池电化学定量计算的方法,典例3 用石墨作电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中电子转移的 物质的量n(
20、e-)与产生气体的体积V(标准状况)的关系如图所示(假设溶 液体积不变)。下列说法正确的是 ( C ),A.电解前CuSO4溶液中溶质的物质的量浓度为2 molL-1 B.电解后所得溶液中c(H+)=4 molL-1 C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)V(O2)=23 D.向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复为电解前的浓度,解析 从曲线的变化趋势可知,当转移0.4 mol e-时,CuSO4消耗完,由Cu2+ +2e- Cu可求得电解前CuSO4的物质的量为0.2 mol,其浓度为1 molL-1, A错误。电解后得到稀硫酸,根据硫原子守恒可知n(H2SO4)=0.2
21、 mol, n(H+)=0.4 mol,则c(H+)=2 molL-1,B错误。当n(e-)=0.6 mol时,阴极先发生 反应:Cu2+2e- Cu(转移0.4 mol e-),再发生反应:2H+2e- H2,生 成0.1 mol H2,阳极只发生反应:2H2O-4e- 4H+O2,生成0.15 mol O2, 故V(H2)V(O2)=23,C正确。如果电解过程中仅发生反应:2CuSO4+ 2H2O 2Cu+2H2SO4+O2,加入0.2 mol CuO可使电解质溶液恢复为电,解前的浓度,实际上电解后期还发生反应:2H2O 2H2+O2,故D错误。,3-1 用惰性电极电解100 mL 3 m
22、olL-1的Cu(NO3)2溶液,一段时间后在 阳极收集到标准状况下气体1.12 L,停止电解,向电解后的溶液中加入足 量的铁粉,充分作用后溶液中Fe2+浓度为(设溶液体积不变) ( B ) A.3 molL-1 B.2.75 molL-1 C.2 molL-1 D.3.75 molL-1,解析 阳极反应式为2H2O-4e- 4H+O2,阴极反应式为Cu2+2e- Cu,阳极生成的气体为氧气,氧气的物质的量为1.12 L22.4 L mol-1=0.05 mol,则电解后溶液中生成的HNO3的物质的量为0.2 mol,电解后溶液中 硝酸铜的物质的量为0.1 L3 molL-1-0.1 mol
23、=0.2 mol,硝酸与足量的铁 反应生成硝酸亚铁,反应的化学方程式为8HNO3+3Fe 3Fe(NO3)2+2 NO+4H2O,故0.2 mol HNO3与Fe反应生成Fe(NO3)2的物质的量为0.2 mol =0.075 mol,硝酸铜与铁反应生成硝酸亚铁,离子方程式为Fe+Cu2+Fe2+Cu,故0.2 mol硝酸铜与Fe反应生成Fe(NO3)2的物质的量为0.2,mol,反应后溶液中Fe2+的物质的量为0.2 mol+0.075 mol=0.275 mol,Fe2+ 浓度为 =2.75 molL-1,选B。,3-2 某小组用下图装置进行实验,下列说法正确的是 ( D ),A.盐桥中的
24、电解质可以用KCl B.闭合K,外电路电流方向为Fe电极石墨电极 C.闭合K,石墨电极上只生成铜 D.导线中通过0.15 mol e-时,向CuSO4溶液中加入5.55 g Cu2(OH)2CO3, CuSO4溶液可恢复原组成,解析 由于KCl能和AgNO3反应产生沉淀,因此盐桥中的电解质不能用 KCl,故A错误;闭合K,铁比银活泼,铁为负极,与铁相连的石墨为阴极,所 以外电路电流方向为石墨电极Fe电极,故B错误;闭合K,与铁相连的石 墨为阴极,发生还原反应,首先发生Cu2+2e- Cu,析出Cu,待Cu2+消耗 完后发生2H+2e- H2,放出氢气,故C错误;CuSO4溶液中n(Cu2+)=0.0 5 mol,完全消耗时转移电子数为0.1 mol,导线中通过0.15 mol e-,说明有H +在阴极放电,电解CuSO4溶液的总反应式为2Cu2+2H2O 2Cu+O2+ 4H+,溶液中减少的是2Cu和O2(相当于2CuO),需要补充0.05 mol CuO,电,解水的总反应式为2H2O 2H2+O2,转移电子数为0.05 mol时消耗 0.025 mol H2O,Cu2(OH)2CO3可写为2CuOH2OCO2,所以向CuSO4溶液中 加入0.025 mol222 g/mol=5.55 g Cu2(OH)2CO3,CuSO4溶液可恢复原组 成,故D正确。,
