第八單元第3講電解池 金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)
解讀與闡釋
考綱要求權(quán)威解讀
1.了解電解池的工作原理,能寫(xiě)出電極反應(yīng)和電池反應(yīng)方程式;
2.理解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因,金屬腐蝕的危害,防止金屬腐蝕的措施! 〕R(jiàn)的考查形式:①電解池的工作原理及電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě);②有關(guān)電化學(xué)的計(jì)算;③判斷金屬的電化學(xué)腐蝕及一般的防腐方法。
梳理與整合
一、電解原理
導(dǎo)學(xué)誘思
怎樣判斷原電池與電解池?
答:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
教材回歸
1.電解定義
使電流通過(guò)溶液或熔融而在______兩極引起________反應(yīng)的過(guò)程叫做電解。
注意:電解不同于電解質(zhì)的電離,電離是電解的前提;電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的過(guò)程,就是電解質(zhì)溶液的電解過(guò)程。
2.電解池
將____能轉(zhuǎn)化為_(kāi)___能的裝置叫做電解池。電解池是由____電源、固體電極材料以及電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)組成。
3.原理圖示
原電池和電解池電極的判斷是難點(diǎn)也是重點(diǎn),為了方便記憶,我們可采取口訣的方法記憶:原電池,正負(fù)極;電解池,陰陽(yáng)極;失去電子負(fù)(原電池)陽(yáng)(電解池)極;發(fā)生氧化定無(wú)疑。
二、電解原理的應(yīng)用
導(dǎo)學(xué)誘思
工業(yè)上怎樣制取燒堿:______________;怎樣冶煉金屬鈉或鋁:__________________;怎樣提純銅:__________。
教材回歸
1.電解飽和食鹽水
(1)電極反應(yīng)
陽(yáng)極:__________________________;
陰極:________________________。
(2)電池總反應(yīng)方程式:_____________________________________________________。
(3)應(yīng)用:工業(yè)制____、____、____。
2.電解精煉銅
(1)陽(yáng)極:材料為_(kāi)___;電極反應(yīng)為_(kāi)________________________________________。
(2)陰極:材料為_(kāi)___;電極反應(yīng)為_(kāi)__________________________________________。
3.電冶金(電解熔融的NaCl)
(1)電極反應(yīng)
陽(yáng)極:__________________________;
陰極:__________________________。
(2)電池總反應(yīng)方程式:_______________________________________________。
(3)應(yīng)用:冶煉鈉。
三、金屬的腐蝕與防護(hù)
導(dǎo)學(xué)誘思
下列各燒杯中液體均為海水,鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序?yàn)開(kāi)___________。
教材回歸
1.金屬腐蝕的本質(zhì)
金屬原子____電子變?yōu)榻饘訇?yáng)離子,金屬發(fā)生____反應(yīng)。
2.化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕
類(lèi)型化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕
概念金屬與接觸到的干燥氣體(如O2、Cl2等)或非電解質(zhì)液體等直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕不純金屬與電解質(zhì)溶液接觸,會(huì)形成______,______的金屬失去電子被氧化腐蝕
特點(diǎn)____電流產(chǎn)生______電流產(chǎn)生
普遍性金屬的______腐蝕比較普遍,而且危害性大,腐蝕速率快
3.鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕
類(lèi)型析氫腐蝕吸氧腐蝕
水膜酸性
負(fù)極反應(yīng)
正極反應(yīng)
電池反應(yīng)
其他反應(yīng)___________________、Fe(OH)3→Fe2O3?xH2O(鐵銹)
普遍性____腐蝕更普遍
4.金屬腐蝕由快到慢的規(guī)律
電解池的陽(yáng)極>原電池的負(fù)極>化學(xué)腐蝕>原電池的正極>電解池的陰極。
5.金屬的防護(hù)
一般有三條途徑:
(1)改變金屬內(nèi)部組成結(jié)構(gòu),可以增強(qiáng)金屬耐腐蝕的能力,如不銹鋼。
(2)在金屬表面覆蓋一層保護(hù)層,如油脂、油漆、搪瓷、塑料、電鍍金屬、氧化成致密的氧化膜,以斷絕金屬與外界物質(zhì)接觸,達(dá)到耐腐蝕的效果。
(3)電化學(xué)保護(hù)法:犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法、外加電流的陰極保護(hù)法。
理解與深化
一、電解池的兩極
1.電解池陰陽(yáng)極的判斷
(1)由電源的正負(fù)極判斷:與電源負(fù)極相連的是電解池的陰極;與電源正極相連的是電解池的陽(yáng)極。
(2)由電極現(xiàn)象確定:通常情況下,在電解池中某一電極若不斷溶解或質(zhì)量不斷減少,該電極發(fā)生氧化反應(yīng),為陽(yáng)極;某一電極質(zhì)量不斷增加或電極質(zhì)量不變,該電極發(fā)生還原反應(yīng),為陰極。
(3)由反應(yīng)類(lèi)型判斷:失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的是陽(yáng)極;得電子發(fā)生還原反應(yīng)的是陰極。
2.放電順序及產(chǎn)物
陽(yáng)極:①如果陽(yáng)極是活潑金屬單質(zhì)(金屬活動(dòng)順序中Ag以前的金屬)材料,則陽(yáng)極金屬電極失電子變成對(duì)應(yīng)的陽(yáng)離子進(jìn)入溶液(Fe變成Fe2+),電解質(zhì)溶液中的陰離子不失電子;②如果陽(yáng)極是惰性電極(Pt、Au、石墨)材料,應(yīng)是溶液中的陰離子失電子,其放電順序如下:S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根(含氧酸根在水溶液中不放電)。
陰極:陽(yáng)離子的放電順序?yàn)锳g+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+,所以活潑金屬陽(yáng)離子如(K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Al3+)在水溶液中不放電,是H+放電。
3.電解池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)
(1)書(shū)寫(xiě)電解池電極反應(yīng)式時(shí),要以實(shí)際放電的離子表示,但書(shū)寫(xiě)總電解反應(yīng)方程式時(shí),弱電解質(zhì)要寫(xiě)分子式。如電解Na2SO4溶液:陽(yáng)極反應(yīng)為4OH--4e-===O2↑+2H2O,陰極反應(yīng)為4H++4e-===2H2↑,總反應(yīng)為2H2O=====電解2H2↑+O2↑。
(2)書(shū)寫(xiě)電解池電極反應(yīng)式與原電池電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)步驟相似。首先要判斷電解池的陰陽(yáng)極,然后根據(jù)放電順序判斷電極反應(yīng)并進(jìn)行書(shū)寫(xiě),以鉛蓄電池充電時(shí)的反應(yīng)為例,總反應(yīng)為Pb+PbO2+2H2SO4????放電充電2PbSO4+2H2O,電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)步驟如下:
陰極反應(yīng)為PbSO4+2e-===Pb??→等號(hào)右邊補(bǔ)充SO2-4PbSO4+2e-===Pb+SO2-4
陽(yáng)極反應(yīng)為PbSO4-2e-===PbO2??→等號(hào)右邊補(bǔ)充SO2-4PbSO4-2e-===PbO2+SO2-4??→結(jié)合電解質(zhì)補(bǔ)充H+、H2OPbSO4+2H2O-2e-===PbO2+SO2-4+4H+(也可以用總反應(yīng)式減去陰極反應(yīng)式得到陽(yáng)極反應(yīng)式)
【例1】 (改編組合)Ⅰ.(2010?山東理綜)(1)以鋁材為陽(yáng)極,在H2SO4溶液中電解,鋁材表面形成氧化膜,陽(yáng)極電極反應(yīng)為_(kāi)___________________________________________。
(2)鍍銅可防止鐵制品腐蝕,電鍍時(shí)用銅而不用石墨作陽(yáng)極的原因是________________________________________________________________________。
Ⅱ.(2010?天津理綜)用Al單質(zhì)作陽(yáng)極,石墨作陰極,NaHCO3溶液作電解液進(jìn)行電解,生成難溶物R,R受熱分解生成化合物Q。寫(xiě)出陽(yáng)極生成R的電極反應(yīng)式:______________________________。
二、電解類(lèi)型及有關(guān)計(jì)算
1.用惰性電極電解電解質(zhì)溶液
類(lèi)型電極反應(yīng)特點(diǎn)實(shí)例電解
對(duì)象電解質(zhì)
濃度pH電解質(zhì)
溶液復(fù)原
電解水型陰極:4H++4e-===2H2↑
陽(yáng)極:4OH--4e-===2H2O+O2↑NaOH水增大增大水
H2SO4水增大減小水
Na2SO4水增大不變水
電解電解質(zhì)型電解質(zhì)電離出的陰、陽(yáng)離子分別在兩極放電HCl電解質(zhì)減小增大氯化氫
CuCl2電解質(zhì)減小略增大氯化銅
放H2生堿型陰極:H2O放H2生堿
陽(yáng)極:電解質(zhì)陰離子放電NaCl電解質(zhì)
和水生成新
電解質(zhì)增大氯化氫
放O2生酸型陰極:電解質(zhì)陽(yáng)離子放電陽(yáng)極:H2O放O2生酸CuSO4電解質(zhì)
和水生成新
電解質(zhì)減小氧化銅
2.有關(guān)電化學(xué)的計(jì)算
原電池和電解池的計(jì)算包括兩極產(chǎn)物的定量計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、相對(duì)原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)測(cè)定的計(jì)算、根據(jù)電荷量求產(chǎn)物的量與根據(jù)產(chǎn)物的量求電荷量的計(jì)算等。無(wú)論哪類(lèi)計(jì)算,均可概括為下列三種方法:
(1)根據(jù)電子守恒法計(jì)算:用于串聯(lián)電路、陰陽(yáng)兩極產(chǎn)物、正負(fù)兩極產(chǎn)物、相同電荷量等類(lèi)型的計(jì)算,其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等。
(2)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算:先寫(xiě)出電極反應(yīng)式,再寫(xiě)出總反應(yīng)式,最后根據(jù)總反應(yīng)式列比例式計(jì)算。
(3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算:根據(jù)得失電子守恒關(guān)系建立已知量與未知量之間的橋梁,建立計(jì)算所需的關(guān)系式。
【例2】 (2011?北京育園中學(xué)測(cè)試)用惰性電極實(shí)現(xiàn)電解,下列說(shuō)法正確的是( )。
A.電解稀硫酸溶液,實(shí)質(zhì)上是電解水,故溶液pH不變
B.電解稀氫氧化鈉溶液,要消耗OH-,故溶液pH減小
C.電解硫酸鈉溶液,在陰極上和陽(yáng)極上析出產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶2
D.電解氯化銅溶液,在陰極上和陽(yáng)極上析出產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為1∶1
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練用惰性電極電解M(NO3)x的水溶液,當(dāng)陰極上增重a g 時(shí),在陽(yáng)極上同時(shí)產(chǎn)生b L氧氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況),則可知M的相對(duì)原子質(zhì)量為 ( )。
A.22.4axb B.11.2axb
C.5.6axb D.2.5axb
實(shí)驗(yàn)與探究
電解法制備物質(zhì)
我們?cè)诠I(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常應(yīng)用電解來(lái)制備一些物質(zhì),如氫氣、氯氣、鈉、鎂、鋁等,所以高考題中經(jīng)常出現(xiàn)有關(guān)電解生成物質(zhì)的分離提純、物質(zhì)的檢驗(yàn)、物質(zhì)的制備及化學(xué)工藝綜合考查題目。
實(shí)驗(yàn)典例
1.惰性電極
2.直流電源
3.離子交換膜
4.冷卻水
(2010?四川理綜)碘被稱(chēng)為“智力元素”,科學(xué)合理地補(bǔ)充碘可防止碘缺乏病。碘酸鉀(KIO3)是國(guó)家規(guī)定的食鹽加碘劑,它的晶體為白色,可溶于水。碘酸鉀在酸性介質(zhì)中與過(guò)氧化氫或碘化物作用均生成單質(zhì)碘。以碘為原料,通過(guò)電解制備碘酸鉀的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。請(qǐng)回答下列問(wèn)題:
(1)碘是______(填顏色)固體物質(zhì)。
(2)電解前,先將一定量的精制碘溶于過(guò)量氫氧化鉀溶液,溶解時(shí)發(fā)生反應(yīng)3I2+6KOH===5KI+KIO3+3H2O,將該溶液加入陽(yáng)極區(qū)。另將氫氧化鉀溶液加入陰極區(qū),電解槽用水冷卻。
電解時(shí),陽(yáng)極上發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為_(kāi)___________________;陰極上觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是________________________________________________________________________。
(3)電解過(guò)程中,為確定電解是否完成,需檢驗(yàn)電解液中是否有I-。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)檢驗(yàn)電解液中是否有I-的實(shí)驗(yàn)方案,并按要求填寫(xiě)下表。
要求:所需藥品只能從下列試劑中選擇,實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)用品自選。
試劑:淀粉溶液、碘化鉀淀粉試紙、過(guò)氧化氫溶液、稀硫酸。
實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論
(4)電解完畢,從電解液中得到碘酸鉀晶體的實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:
步驟②的操作名稱(chēng)是______________,步驟⑤的操作名稱(chēng)是______________。步驟④洗滌晶體的目的是_____________________________________________________。
答案與解析
梳理與整合
一、
導(dǎo)學(xué)誘思
①?gòu)难b置圖上判斷原電池沒(méi)有外接電源,而電解池需要外接電源;②從能量角度判斷:原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,而電解池是把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能;③從反應(yīng)的自發(fā)性角度判斷:原電池中發(fā)生的是能自發(fā)進(jìn)行的,而電解池中發(fā)生的一般是不能自發(fā)進(jìn)行的
教材回歸
1.陰、陽(yáng) 氧化還原
2.電 化學(xué) 直流
3.正 氧化 負(fù) 還原
二、
導(dǎo)學(xué)誘思
電解飽和食鹽水 電解熔融的氯化鈉或Al2O3 電解精煉銅
教材回歸
1.2Cl--2e-===Cl2↑ 2H++2e-===H2↑ 2NaCl+2H2O 2NaOH+Cl2↑+H2↑ 燒堿 氯氣 氫氣
2.粗銅 Cu-2e-===Cu2+ 精銅 Cu2++2e-===Cu
3.2Cl--2e-===Cl2↑ 2Na++2e-===2Na 2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
三、
導(dǎo)學(xué)誘思
④②①③⑤
教材回歸
1.失去 氧化
2.原電池 較活潑 無(wú) 有微弱 電化學(xué)
3.酸性較強(qiáng) 酸性較弱或中性 Fe-2e-===Fe2+ 2H++2e-===H2↑ O2+2H2O+4e-===4OH- Fe+2H+===Fe2++H2↑ 2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2 4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3 吸氧
理解與深化
【例1】答案:Ⅰ.(1)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
(2)鍍銅時(shí),銅單質(zhì)作陽(yáng)極,銅發(fā)生氧化反應(yīng)生成Cu2+,使溶液中的Cu2+保持一定的濃度
Ⅱ.Al+3HCO-3-3e-===Al(OH)3+3CO2↑
解析:Ⅰ.(1)依據(jù)信息陽(yáng)極形成的氧化膜一定為Al2O3,Al失電子生成Al2O3,Al2O3中的氧是由水提供的,溶液顯酸性,所以有H+生成;Ⅱ.Al作陽(yáng)極,失電子,生成Al3+,Al3+水解顯酸性,溶液中的HCO-3水解顯堿性,兩者互相促進(jìn),生成Al(OH)3。
【例2】D 解析:A、B、C選項(xiàng)均是電解水,但硫酸濃度增大,pH減小,A錯(cuò)誤;電解稀氫氧化鈉溶液時(shí),pH增大,B錯(cuò)誤;陰極4H++4e-===2H2↑,陽(yáng)極4OH--4e-===2H2O+O2↑,陰極上和陽(yáng)極上析出產(chǎn)物的物質(zhì)的量之比為2∶1,C錯(cuò)誤;電解氯化銅溶液,陰極Cu2++2e-===Cu,陽(yáng)極2Cl--2e-===Cl2↑,D正確。
對(duì)點(diǎn)訓(xùn)練 C 解析:陰極增重a g,說(shuō)明析出金屬M(fèi)是a g,陽(yáng)極的電極反應(yīng)為4OH--4e-===O2↑+2H2O,則產(chǎn)生b L O2轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目為b L22.4 L?mol-1×4=b5.6 mol,則陰極a g M得到的電子為b5.6 mol,axM=b5.6,則M=5.6axb,選C。
實(shí)驗(yàn)與探究
答案:(1)紫黑色
(2)I-+6OH--6e-===IO-3+3H2O
有氣泡產(chǎn)生
(3)
實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論
取少量陽(yáng)極區(qū)電解液于試管中,加稀硫酸酸化后加入幾滴淀粉試液,觀察是否變藍(lán)如果不變藍(lán),說(shuō)明無(wú)I-(如果變藍(lán),說(shuō)明有I-)
(4)冷卻結(jié)晶 干燥 洗去吸附在碘酸鉀晶體上的氫氧化鉀等雜質(zhì)
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