(新高考)高考化学一轮复习讲测练第17讲电解池金属的腐蚀与防护（讲）(2份打包，解析版+原卷版，可预览)

第17讲  电解池   金属的腐蚀与防护

【学科核心素养】

变化观念与平衡思想：认识化学变化的本质是有新物质生成，并伴有能量的转化；能多角度、动态地分析电解池中发生的反应，并运用电解原理解决实际问题。

证据推理与模型认知：利用电解池装置，分析电解原理，建立解答电解池问题的思维模型，并利用模型揭示其本质及规律。

科学态度与社会责任：肯定电解原理对社会发展的重大贫献，具有可持续发展意识和绿色化学观念，能对与电解有关的社会热点问题做出正确的价值判断。

【核心素养发展目标】

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。

【知识点解读】

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)电子和离子的移动方向

①电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流出后流向电源的正极。

②离子：阳离子移向电解池的阴极，阴离子移向电解池的阳极。

3.阴阳两极上放电顺序

(1)阴极：(与电极材料无关)。氧化性强的先放电，放电顺序：

(2)阳极：若是活性电极作阳极，则活性电极首先失电子，发生氧化反应。

若是惰性电极作阳极，放电顺序为

注意　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.用惰性电极电解电解质溶液的规律

4.用惰性电极电解电解质溶液的规律

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

3.电冶金

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

 (2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀

以钢铁的腐蚀为例进行分析：

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。

【典例剖析】

高频考点一   电解规律及电极产物的判断

【例1】（2021·全国乙卷）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氧化生成的反应

B．管道中可以生成氧化灭杀附着生物的

C．阴极生成的应及时通风稀释安全地排入大气

D．阳极表面形成的等积垢需要定期清理

【变式探究】（2020·山东卷）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下图所示。忽略温度变化的影响，下列说法错误的是

A. 阳极反应

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

【变式探究】(双选)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2H＋＋2e－===H2↑

B．C1电极处溶液首先变棕黄色

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

高频考点二  电极反应式的书写与判断

【例2】[2019新课标Ⅲ节选]近年来，随着聚酯工业的快速发展，氯气的需求量和氯化氢的产出量也随之迅速增长。因此，将氯化氢转化为氯气的技术成为科学研究的热点。回答下列问题：

（4）在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上，科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案，主要包括电化学过程和化学过程，如下图所示：

负极区发生的反应有____________________（写反应方程式）。电路中转移1 mol电子，需消耗氧气__________L（标准状况）。

【方法技巧】①书写电解池的电极反应式时，可以用实际放电的离子表示，但书写电解池的总反应时，弱电解质要写成分子式。

如用惰性电极电解食盐水时，阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑(或2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－)；总反应离子方程式为2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。

②电解水溶液时，应注意放电顺序，位于H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。

③Fe3＋在阴极上放电时生成Fe2＋而不是得到单质Fe。

【变式探究】(2018·全国卷Ⅰ，13)最近我国科学家设计了一种CO2＋H2S协同转化装置，实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下所示，其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯，石墨烯电极区发生反应为：

①EDTA-Fe2＋－e－===EDTA-Fe3＋

②2EDTA-Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA-Fe2＋

该装置工作时，下列叙述错误的是(　　)

A.阴极的电极反应：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O

B.协同转化总反应：CO2＋H2S===CO＋H2O＋S

C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低

D.若采用Fe3＋/Fe2＋取代EDTA-Fe3＋/EDTA-Fe2＋，溶液需为酸性

高频考点三   电子守恒在电化学计算中的应用

【例3】以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液，电解过程中转移电子的物质的量n(e－)与产生气体总体积V(标准状况)的关系如图所示，下列说法中正确的是(　　)

A．电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 mol·L－1

B．忽略溶液体积变化，电解后所得溶液中c(H＋)＝2 mol·L－1

C．当n(e－)＝0.6 mol时，V(H2)∶V(O2)＝3∶2

D．向电解后的溶液中加入16 g CuO，则溶液可恢复到电解前的浓度

【方法技巧】电化学综合计算的三种常用方法

(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用于混合溶液中电解的分阶段计算。

(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。

【变式探究】按如图1所示装置进行电解，A、B、C、D均为铂电极，回答下列问题。

(1)甲槽电解的是200 mL一定浓度的NaCl与CuSO4的混合溶液，理论上两极所得气体的体积随时间变化的关系如图2所示(气体体积已换算成标准状况下的体积，电解前后溶液的体积变化忽略不计)。

①原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为_____mol·L－1，CuSO4的物质的量浓度为______mol·L－1。

②t2时所得溶液的pH＝________。

(2)乙槽为200 mL CuSO4溶液，乙槽内电解的总离子方程式：_____________________：

①当C极析出0.64 g物质时，乙槽溶液中生成的H2SO4为________mol。电解后，若使乙槽内的溶液完全复原，可向乙槽中加入________(填字母)。

A．Cu(OH)2　　　　　　B．CuO

C．CuCO3              D．Cu2(OH)2CO3

②若通电一段时间后，向所得的乙槽溶液中加入0.2 mol的Cu(OH)2才能恰好恢复到电解前的浓度，则电解过程中转移的电子数为________。

高频考点四  电解原理的应用

【例4】（2021·广东高考）钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是

A．工作时，Ⅰ室和Ⅱ室溶液的均增大

B．生成，Ⅰ室溶液质量理论上减少

C．移除两交换膜后，石墨电极上发生的反应不变

D．电解总反应：

【变式探究】(2020·全国卷Ⅱ节选)(1)氯气是制备系列含氯化合物的主要原料，可采用如图所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许________离子通过，氯气的逸出口是________(填标号)。

(2)(2020·全国卷Ⅱ节选)CH4和CO2都是比较稳定的分子，科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化，其原理如图所示：

①阴极上的反应式为_____________________________________________________。

②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1，则消耗的CH4和CO2体积比为________。

【变式探究】[2019·北京节选]氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。

（2）可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2，可交替得到H2和O2。

①制H2时，连接_______________。产生H2的电极反应式是_______________________。

②改变开关连接方式，可得O2。

③结合①和②中电极3的电极反应式，说明电极3的作用：________________________。

【举一反三】[2019·江苏卷]CO2的资源化利用能有效减少CO2排放，充分利用碳资源。

（2）电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。

①写出阴极CO2还原为HCOO−的电极反应式：        。

②电解一段时间后，阳极区的KHCO3溶液浓度降低，其原因是        。

高频考点五   金属腐蚀与防护

【例5】（2020·江苏卷）将金属M连接在钢铁设施表面，可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在题图所示的情境中，下列有关说法正确的是

A. 阴极的电极反应式为

B. 金属M的活动性比Fe的活动性弱

C. 钢铁设施表面因积累大量电子而被保护

D. 钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快

【方法技巧】判断金属腐蚀快慢的规律

(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀速率的快慢：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。

(2)对同一金属来说，在不同溶液中腐蚀速率的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。

(3)活动性不同的两种金属，活动性差别越大，腐蚀速率越快。

(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。

【变式探究】(2019·上海卷)关于右图装置，叙述错误的是(　　)

A．石墨电极反应O2＋4H＋＋4e－===2H2O

B．鼓入少量空气，会加快Fe的腐蚀

C．加入少量的NaCl，会加快Fe的腐蚀

D．加入HCl，石墨电极反应式：2H＋＋2e－===H2↑

【变式探究】[2019·江苏卷]将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后，置于如图所示装置中，进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是

A．铁被氧化的电极反应式为Fe−3e−===Fe3+

B．铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能

C．活性炭的存在会加速铁的腐蚀

D．以水代替NaCl溶液，铁不能发生吸氧腐蚀

【变式探究】　(2018·北京卷)验证牺牲阳极的阴极保护法，实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。

下列说法不正确的是(　　)

A．对比②③，可以判定Zn保护了Fe

B．对比①②，K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化

C．验证Zn保护Fe时不能用①的方法

D．将Zn换成Cu，用①的方法可判断Fe比Cu活泼

【变式探究】(双选)为了减少钢管因锈蚀造成的损失，某城市拟用如图方法保护埋在酸性土壤中的钢管。下列有关说法中错误的是(　　)

A．在潮湿的酸性土壤中，钢管主要发生析氢腐蚀

B．在潮湿的酸性土壤中，电子由钢管通过导线流向金属棒M

C．在潮湿的酸性土壤中，H＋向金属棒M移动，抑制H＋与铁的反应

D．金属棒M与钢管用导线连接后可使钢管表面的腐蚀电流接近于零