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第3讲电解池金属的腐蚀与防护【2020·备考】最新考纲：1.理解电解池的工作原理，能写出简单电极反应式和电池反应方程式。2.认识金属腐蚀的危害，理解金属发生电化学腐蚀的原理，能运用恰当的措施防止铁、铝等金属腐蚀。新课标要求：分析化学能与电能相互转化的原理及其在生产和生活中的应用。能依据化学变化中能量转化的原理，提出利用化学变化实现能量储存和释放的有实用价值的建议。最新考情：电解原理的考查多在填空题中，主要考查电解池中两极反应式的书写，如2017年T16(4)、2014年T20(4)、2011年T20(4)，有时也在选择题某选项中出现，主要考查电解原理的应用。金属腐蚀与防护主要在选择题中某选项出现，如2017年、2015年、2013年、2012年均有涉及。预测2020年高考一是延续这种命题特点，二是关注电解原理在工业上运用的选择题。考点一电解原理[知识梳理]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(1)构成条件①有与电源相连的两个电极。②电解质溶液(或熔融盐)。③形成闭合回路。(2)电极名称及电极反应式(如图)(3)电子和离子移动方向①电子：从电源负极流向电解池的阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。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。电子和离子移动方向图示名师助学：正确理解电子不下水(电解质溶液)。3.电解过程思维程序(1)首先判断阴、阳极，分析阳极材料是惰性电极还是活性电极。(2)再分析电解质水溶液的组成，找全离子并分阴、阳两组。名师助学：不要忘记水溶液中的H＋和OH－，不要把H＋、OH－误加到熔融电解质中。(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序名师助学：①“活性电极”一般指除Pt、Au以外的金属。②最常用的放电顺序：阳极：活性电极＞Cl－＞OH－；阴极：Ag＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞H＋。(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。[题组诊断]电解原理1.用铁和石墨作电极电解酸性废水，可将废水中的PO3－4以FePO4(不溶于水)的形式除去，其装置如图所示。下列说法正确的是()A.若X、Y电极材料连接反了，则仍可将废水中的PO3－4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＋＋4PO3－4===4FePO4↓＋2H2O解析根据题意分析，X电极材料为铁，Y电极材料为石墨；若X、Y电极材料连接反了，铁就不能失电子变为离子，也就不能生成FePO4，A项错误；Y电极材料为石墨，该电极附近发生还原反应，B项错误；电解过程中Y极反应：O2＋4e－＋4H＋===2H2O，H＋浓度减少，溶液的pH变大，C项错误；铁在阳极失电子变为Fe2＋，通入的氧气把Fe2＋氧化为Fe3＋，Fe3＋与PO3－4反应生成FePO4，D项正确。答案D2.三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如下图所示，采用惰性电极，ab、cd均为离子交换膜，在直流电场的作用下，两膜中间的Na＋和SO2－4可通过离子交换膜，而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。下列叙述正确的是()A.通电后中间隔室的SO2－4向正极迁移，正极区溶液pH增大B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品C.负极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，负极区溶液pH降低D.当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.5molO2生成解析该装置为电解池，与电源正极相连的是阳极，阴离子向阳极迁移，OH－放电，产生H＋，SO2－4向正极区迁移生成硫酸，溶液的pH减小，A错误；负极区发生的反应为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，负极区溶液pH升高，钠离子移向负极区，与生成的OH－结合成NaOH，B正确，C错误；当电路中通过1mol电子的电量时，会有0.25molO2生成，D错误。答案B3.可从铅蓄电池中回收铅，实现铅的再生。在工艺中得到含Na2PbCl4的电解液，电解Na2PbCl4溶液后生成Pb，如图所示。下列说法不正确的是()A.阳极区会有气泡冒出，产生O2B.一段时间后，阳极附近pH明显增大C.阴极的电极反应方程式为PbCl2－4＋2e－===Pb＋4Cl－D.Na2PbCl4浓度下降后可在阴极区加入PbO，实现电解液的继续使用解析阳极2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，阳极区会有气泡冒出，产生O2，A项正确；阳极2H2O－4e－===4H＋＋O2↑，一段时间后，阳极附近氢离子浓度增大，pH明显减小，B项错误；阴极的电极反应是发生还原反应，元素化合价降低，阴极的电极反应方程式为PbCl2－4＋2e－===Pb＋4Cl－，C项正确；阴极电解一段时间后溶液为HCl和NaCl的混合溶液，根据题意“将PbO粗品溶解在HCl和NaCl的混合溶液中，得到含Na2PbCl4的电解液”继续向阴极区加PbO粗品可恢复其浓度且实现物质的循环利用，D项正确。答案B【归纳总结】以惰性电极电解电解质溶液的类型和规律类型电极反应特点类别(实例)电解对象电解质浓度pH电解质溶液复原电解水型阴：4H＋＋4e－===2H2↑(或4H2O＋4e－===4OH－＋2H2↑)阳：4OH－－4e－===2H2O＋强碱(如NaOH)水增大增大加水含氧酸(如H2SO4)水增大减小加水活泼金属的含氧酸水增大不变加水O2↑(或2H2O－4e－===4H＋＋O2↑)盐(如Na2SO4、KNO3)电解电解质型电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电无氧酸(如HCl)，除HF外电解质减小增大通氯化氢不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2)，电解质减小加氯化铜放H2生碱型阴极：H2O放H2生碱阳极：电解质阴离子放电活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)电解质和水生成新电解质增大通氯化氢放O2生酸型阴极：电解质阳离子放电阳极：H2O放O2生酸不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)电解质和水生成新电解质减小加氧化铜或碳酸铜拓展根据以上电解规律判断由H＋、K＋、Mg2＋、Ag＋、Cu2＋、NO－3、Cl－、OH－所组成的电解质溶液中，电解对象为水的电解质的化学式为HNO3、KNO3、Mg(NO3)2、KOH，电解质本身放电的为HCl、CuCl2。电解池中电极方程式的书写4.(2019·南京盐城一模)一种生物电化学方法脱除水体中NH＋4的原理如下图所示：下列说法正确的是()A.装置工作时，化学能转变为电能B.装置工作时，a极周围溶液pH降低C.装置内工作温度越高，NH＋4脱除率一定越大D.电极b上发生的反应之一是：2NO－3－2e－===N2↑＋3O2↑解析A项，该反应为电解装置，将电能转化为化学能，错误；B项，a极发生反应之一：NH＋4－8e－＋2H2O===NO－2＋8H＋，c(H＋)增大，正确；C项，温度升高，细菌蛋白质变性，错误；D项，b极发生反应之一为：2NO－3＋10e－＋12H＋===N2↑＋6H2O，错误。答案B5.(2017·常州一模)用图所示装置除去含CN－、Cl－废水中的CN－时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO－将CN－氧化为两种无污染的气体，下列说法不正确的是()A.ClO－将CN－氧化过程中，每消耗1molCN－转移10mol电子B.阳极的电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2OC.阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－D.在电解过程中，废水中的CN－和Cl－均移向阳极解析CN－中C的化合价为＋2价，N为－3价，1molCN－生成CO2和N2转移电子的物质的量为5mol，A错误；阳极是Cl－失电子产生ClO－，电极反应式为Cl－＋2OH－－2e－===ClO－＋H2O，B正确；阴极是H＋得电子产生H2，碱性溶液中阴极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，C正确；电解过程中阴离子移向阳极，阳离子移向阴极，D正确。答案A6.(1)(2018·江苏化学)用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。写出电解时阳极的电极反应式：____________________________________________________________________。(2)(2017·江苏化学)电解Na2CO3溶液，原理如图所示。阳极的电极反应式为__________________________，阴极产生的物质A的化学式为________。(3)(2014·江苏化学)将烧碱吸收H2S后的溶液加入到如图所示的电解池的阳极区进行电解。电解过程中阳极区发生如下反应：S2－－2e－===S(n－1)S＋S2－===S2－n写出电解时阴极的电极反应式：__________________________________________。(4)(2011·江苏化学，20)电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图见图(电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴、阳极均为惰性电极)。电解时，阳极的电极反应式为__________________________________________。(5)(2017·通扬泰淮宿徐二调)20世纪80年代Townley首次提出利用电化学膜脱除烟气中SO2的技术：将烟气预氧化使SO2转化为SO3，再将预氧化后的烟气利用如图所示原理净化利用。①阴极的电极反应式为______________。②若电解过程中转移1mol电子，所得“扫出气”用水吸收最多可制得质量分数70%的硫酸________g。解析(2)阳极溶液中的阴离子即水中的OH－放电生成O2(图示)及H＋(2H2O－4e－===O2↑＋4H＋)，H＋与CO2－3结合生成HCO－3(CO2－3＋H＋===HCO－3，由图阳极区Na2CO3生成NaHCO3)，写出总反应：4CO2－3＋2H2O－4e－===4HCO－3＋O2↑。阴极水中的H＋放电生成H2。(4)产生H2是由溶液中的H＋在阴极放电所得到，则阳极产生的是N2，阳极发生氧化反应，在碱性环境下的电极反应式为：CO(NH2)2＋8OH－－6e－===CO2－3＋N2↑＋6H2O。(5)①由图可知，在阴极SO3、O2转化为SO2－4，阴极反应式为2SO3＋O2＋4e－===2SO2－4。②阳极发生反应2SO2－4－4e－===2SO3＋O2↑，转移1mol电子时生成SO30.5mol，可生成H2SO4为0.5mol，即49g，可制得70%的硫酸的质量为49g/70%＝70(g)。答案(1)HNO2－2e－＋H2O===3H＋＋NO－3(2)4CO2－3＋2H2O－4e－===4HCO－3＋O2↑H2(3)2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－(4)CO(NH2)2＋8OH－－6e－===CO2－3＋N2↑＋6H2O(5)①2SO3＋O2＋4e－===2SO2－4②70【反思归纳】1.做到“三看”，正确书写电极反应式(1)一看电极材料，若是活性电极(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注Fe生成Fe2＋而不是生成Fe3＋)。(2)二看介质，介质是否参与电极反应。(3)三看电解质状态，若是熔融状态，就是金属的电解冶炼。2.规避“四个”失分点(1)书写电解池中电极反应式时，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。(2)要确保两极电子转移数目相同，且注明条件“电解”。(3)电解水溶液时，应注意放电顺序中H＋、OH－之后的离子一般不参与放电。(4)当电解池的电极材料为活性电极时，则阳极本身失电子。考点二电解原理的应用[知识梳理]1.电解饱和食盐水(1)电极反应阳极反应式：2Cl－－2e－===Cl2↑(氧化反应)阴极反应式：2H＋＋2e－===H2↑(还原反应)(2)总反应方程式2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑离子反应方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑(3)应用：氯碱工业制烧碱、氢气和氯气阳极：钛