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第37讲 电解池 金属的腐蚀与防护
复习目标 1.理解电解池的工作原理,了解电解池与原电池的异同。2.理解电解原理,掌握氯碱工业、电镀、铜的电解精炼、电冶金的反应原理。3.掌握常见离子放电顺序,熟练书写电极反应式、总反应式并能进行相关计算。4.认识金属腐蚀的危害,理解金属发生电化学腐蚀的原因,能选用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。
考点一 电解原理
1.电解池工作原理
注意 电子不下水,离子不上线。
2.电解池与原电池的比较
电解池
原电池
能否自发
使“不能”变为“能”或使“能”变为“易”
能自发进行
能量转化
电能转化为化学能
化学能转化为电能
装置
有外加电源
无外加电源
电极
由外加电源决定:
阳极:连电源的正极;
阴极:连电源的负极
由电极或反应物性质决定,称为正极或负极
反应类型
阳极:氧化反应
阴极:还原反应
负极:氧化反应
正极:还原反应
离子移动
阳离子移向阴极
阴离子移向阳极
阳离子移向正极
阴离子移向负极
相同点
都是电极上的氧化还原反应,都必须有离子导体
3.电解规律
(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。
1.电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色( )
2.电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程( )
3.电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大( )
4.用Cu作电极电解盐酸可发生Cu+2H+Cu2++H2↑( )
5.某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现( )
6.电解过程中电子流动方向为负极→阴极→电解质溶液→阳极→正极( )
答案 1.× 2.√ 3.× 4.√ 5.√ 6.×
1.完成下表(电极为惰性电极)
类型
实例
电极反应式
电解
对象
溶液
pH变化
溶液复原方法
电解
水型
含氧酸
H2SO4
阳极:2H2O-4e-===4H++O2↑
阴极:4H++4e-===2H2↑
总反应:2H2O2H2↑+O2↑
水
减小
加水
强碱
NaOH
阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑
阴极:4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
总反应:2H2O2H2↑+O2↑
增大
活泼金属的含氧酸盐
KNO3
阳极:2H2O-4e-===4H++O2↑
阴极:4H2O+4e-===2H2↑+4OH-
总反应:2H2O2H2↑+O2↑
不变
电解电解质型
无氧酸(氢氟酸除外)
HCl
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H++2e-===H2↑
总反应:2H++2Cl-H2↑+Cl2↑
HCl
增大
通入HCl气体
不活泼金属的无氧酸盐
CuCl2
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:Cu2++2e-===Cu
总反应:Cu2++2Cl-Cu+Cl2↑
CuCl2
-
加CuCl2固体
放氢生碱型
活泼金属的无氧酸盐
NaCl
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
总反应:2Cl-+2H2OH2↑+Cl2↑+2OH-
NaCl和H2O
增大
通入HCl气体
放氧生酸型
不活泼金属的含氧酸盐
AgNO3
阳极:2H2O-4e-===4H++O2↑
阴极:4Ag++4e-===4Ag
总反应:4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+
AgNO3和H2O
减小
加入Ag2O固体
注意 电解质溶液的复原,应遵循“出什么加什么”(即一般加入阴极产物与阳极产物形成的化合物)的原则。
2.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是( )
A.AgNO3 CuCl2 Cu(NO3)2
B.KCl Na2SO4 CuSO4
C.CaCl2 KOH NaNO3
D.HCl HNO3 K2SO4
答案 B
3.(2020·山东,13)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )
A.阳极反应为2H2O-4e-===4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
答案 D
解析 A项,根据题图可知,a极为阳极,其电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,正确;B项,阳极室产生的氢离子通过质子交换膜进入阴极室,阳极室pH保持不变,正确;D项,根据电极反应式:阳极反应为2H2O-4e-===4H++O2↑,阴极反应为2H++O2+2e-===H2O2,故a极生成的O2与b极反应的O2不等量,错误。
分析电解过程的思维流程
考点二 电解原理的应用
1.氯碱工业
(1)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
(2)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。
(3)电极反应
A极:2Cl--2e-===Cl2↑;
B极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
(4)a、b、c、d加入或流出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、淡盐水、浓NaOH溶液;X、Y分别为Cl2、H2。
2.电镀和电解精炼铜
电镀(Fe表面镀Cu)
电解精炼铜
阳极
电极材料
镀层金属铜
粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质)
电极反应
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+、
Fe-2e-===Fe2+、
Ni-2e-===Ni2+、
Cu-2e-===Cu2+
阴极
电极材料
待镀金属铁
纯铜
电极反应
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液
含Cu2+的盐溶液
注:电解精炼铜时,粗铜中Ag、Au等不反应,沉积在电解池底部形成阳极泥
3.电冶金
利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
总反应化学方程式
阳极、阴极反应式
冶炼钠
2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:2Na++2e-===2Na
冶炼镁
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:Mg2++2e-===Mg
冶炼铝
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
阳极:6O2--12e-===3O2↑
阴极:4Al3++12e-===4Al
注意 冶炼镁不可用MgO作原料;冶炼铝不可用AlCl3作原料。
1.电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料( )
2.在镀件上电镀铜时,镀件应连接电源的正极( )
3.根据得失电子守恒可知电解精炼铜时,阳极减少的质量和阴极增加的质量相等( )
4.电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变( )
5.电解冶炼镁、铝通常电解熔融的MgCl2和Al2O3,也可以电解熔融的MgO和AlCl3( )
答案 1.× 2.× 3.× 4.× 5.×
一、氯碱工业、电镀、精炼工艺的理解
1.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述正确的是(已知氧化性:Fe2+<Ni2+<Cu2+)( )
A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量相等
C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt
答案 D
解析 电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A项错误;因氧化性:Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极反应式为Ni2++2e-===Ni,可见,阳极质量减少是因为Zn、Fe、Ni溶解,而阴极质量增加是因为Ni析出,B项错误;电解后溶液中的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C项错误。
2.1807年化学家戴维电解熔融氢氧化钠制得钠:4NaOH(熔融)O2↑+4Na↑+2H2O;后来盖·吕萨克用铁与熔融氢氧化钠作用也制得钠:3Fe+4NaOH===Fe3O4+2H2↑+4Na↑。下列有关说法正确的是( )
A.戴维法制钠,阳极的电极反应式为Na++e-===Na↑
B.盖·吕萨克法制钠原理是利用铁的金属性比钠的强
C.若用戴维法与盖·吕萨克法制得等量的钠,两方法转移的电子总数相等
D.还可以用电解熔融氯化钠法制钠
答案 D
解析 A项,阳极应发生氧化反应;B项,盖·吕萨克法制钠原理是根据钠的沸点较低、易从反应混合物中分离出来,从而使化学平衡正向移动;C项,根据反应方程式可知,用戴维法制取金属钠,每产生4 mol钠转移电子的物质的量是4 mol,而用盖·吕萨克法制得4 mol钠转移电子的物质的量是8 mol,因此制取等量的金属钠,转移的电子总数不相等。
3.高氯酸在化工生产中有广泛应用,工业上以NaClO4为原料制备高氯酸的原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.上述装置中,f极为光伏电池的正极
B.阴极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑
C.d处得到较浓的NaOH溶液,c处得到HClO4
D.若转移2 mol电子,理论上生成100.5 g HClO4
答案 C
解析 电解时,Na+移向阴极区,则f为电源负极,A项错误;电解时,阳极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,Na+移向阴极区,阳极区溶液逐渐由NaClO4转化为HClO4,阴极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,阴极区产生NaOH,B项错误、C项正确;根据得失电子守恒,若转移2 mol电子,理论上生成201 g HClO4,D项错误。
二、电解池电极反应式的书写
4.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:_______________________________________________________________;
阴极反应式:_______________________________________________________________;
总反应离子方程式:_________________________________________________________;
(2)用Al作电极电解NaOH溶液
阳极反应式:_______________________________________________________________;
阴极反应式:_______________________________________________________________;
总反应离子方程式:___
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