电解池和金属的电化学腐蚀与防护

电解池和金属的电化学腐蚀与防护

一周强化

一、一周知识概述

1、电解的概念

　　使电流通过电解质溶液而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程叫做电解。

注意：

　　①电流必须是直流而不是交流。

　　②熔融态的电解质也能被电解。

思考题：在电解反应中，化学能与电能之间的转化关系是什么？

答案：电能转化为化学能。

2、电解池的概念

　　借助于电流引起氧化还原反应的装置，也就是把电能转变为化学能的装置叫做电解池或电解槽。

3、构成电解池的条件

　　（1）直流电源。

　　（2）两个电极。其中与电源的正极相连的电极叫做阳极，与电源的负极相连的电极叫做阴极。

　　（3）电解质溶液或熔融态电解质。

4、电解质导电的实质

　　对电解质溶液（或熔融态电解质）通电时，电子从电源的负极沿导线流入电解池的阴极，电解质的阳离子移向阴极得电子发生还原反应；电解质的阴离子移向阳极失去电子（有的是组成阳极的金属原子失去电子）发生氧化反应，电子从电解池的阳极流出，并沿导线流回电源的正极。这样，电流就依靠电解质溶液（或熔融态电解质）里阴、阳离子的定向移动而通过溶液（或熔融态电解质），所以电解质溶液（或熔融态电解质）的导电过程，就是电解质溶液（或熔融态电解质）的电解过程。

5、电解原理

6、电解原理的应用。

7、金属的腐蚀

8、金属的防护方法

二、重难点知识解析

（一）电解原理

1、电解氯化铜

（1）实验步骤

　　第一步：如图甲所示，把两根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内，观察现象。

　　第二步：如图乙所示，把用导线连接在一起的两根石墨插入U形管里的CuCl2溶液内，观察现象。

　　第三步：如图丙所示，将两根石墨棒、一只电流表和低压直流电源串联起来，将石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液内，接通电源。把湿润的碘化钾淀粉试纸放在与电源正极相连的电极附近。观察现象，约5min后切断电源。

（2）实验现象

　　在第一步和第二步中均无新现象发生。在第三步实验中，电流表的指针发生偏转；阴极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变深，阳极石墨棒周围CuCl2溶液绿色变浅；阴极石墨棒上逐渐覆盖了一层红色固本，阳极石墨棒上有气泡放出，并可闻到刺激性的气味，同时看到湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。

（3）实验结论

　　在通直流电的条件下，溶液里的CuCl2发生了分解反应：

　　CuCl2Cu＋Cl2↑

　　Cu生成于阴极的石墨棒上，Cl2生成于阳极的石墨棒上。

（4）原理分析

　　CuCl2是强电解质且易溶于水，在水溶液中电离生成Cu2＋和Cl－。

CuCl2＝Cu2＋＋2Cl－

　　通电前，Cu2＋和Cl－在水里自由地移动着；通电后，这些自由移动着的离子，在电场作用下，改作定向移动。溶液中带正电的Cu2＋向阴极移动，带负电的氯离子向阳极移动。在阴极，铜离子获得电子而还原成铜原子覆盖在阴极上；在阳极，氯离子失去电子而被氧化成氯原子，并两两结合成氯分子，从阳极放出。

　　阴极：Cu2＋＋2e－＝Cu

　　阳极：2Cl－－2e－＝ Cl2↑

　　电解CuCl2溶液的化学反应方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑

（5）电解质水溶液电解反应的综合分析

　　在上面叙述氯化铜电解的过程中，没有提到溶液里的H＋和OH－，其实H＋和OH－虽少，但的确是存在的，只是他们没有参加电极反应。也就是说在氯化铜溶液中，除Cu2＋和Cl－外，还有H＋和OH－，电解时，移向阴极的离子有Cu2＋和H＋，因为在这样的实验条件下Cu2＋比H+容易得到电子，所以Cu2＋在阴极上得到电子析出金属铜。移向阳极的离子有OH－和Cl－，因为在这样的实验条件下，Cl－比OH－容易失去电子，所以Cl－在阳极上失去电子，生成氯气。

说明：

　　①阳离子得到电子或阴离子失去电子而使离子所带电荷数目降低的过程又叫做放电。

　　②用石墨、金、铂等还原性很弱的材料制做的电极叫做惰性电极，理由是它们在一般的通电条件下不发生化学反应。用铁、锌、铜、银等还原性较强的材料制做的电极又叫做活性电极，它们做电解池的阳极时，先于其他物质发生氧化反应。

　　③在一般的电解条件下，水溶液中含有多种阳离子时，它们在阴极上放电的先后顺序是：Ag＋＞Hg2＋＞Fe3＋＞Cu2＋＞(H＋)＞Fe2＋＞Zn2＋；水溶液中含有多种阴离子时，它们的惰性阳极上放电的先后顺序是：S2－＞I－＞Br－＞Cl－＞(F－、NO3－、SO42－等)

（6）以惰性电极电解电解质水溶液，分析电解反应的一般方法步骤为：

　　①分析电解质水溶液的组成，找全离子并分为阴、阳两组；

　　②分别对阴、阳离子排出放电顺序，写出两极上的电极反应式；

　　③合并两个电极反应式得出电解反应的总化学方程式或离子方程式。

（二）电解原理的应用

1、铜的电解精炼

（1）电解法精炼铜的装置

（2）电解法精炼铜的化学原理

　　阳极（粗铜）：Cu－2e－＝Cu2＋

　　阴极（纯铜）：Cu2＋＋2e－＝Cu

说明：

　　①以铜为材料做的电极属于活性电极。在一般的电解条件下，活性阳极先于电解质溶液中的成分发生氧化反应。

　　②粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时失去电子，如：

　　Zn－2e－＝Zn2＋

　　Ni－2e－＝Ni2＋

　　但是它们的阳离子比铜离子难以还原，所以它们并不在阴极获得电子析出，而只是留在电解液里。而位于金属活动性顺序铜之后的银、金等杂质，因为给出电子的能量比铜弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，当阳极上的铜失去电子变成离子溶解之后，它们以金属单质的形式沉积在电解槽底，形成阳极泥（阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料）

　　③用电解精炼法所得到的铜叫做电解铜，它的纯度可达到99.95%～99.98%。

2、电镀

（1）电镀的涵义

　　电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。

（2）电镀的目的

　　电镀的目的主要是使金属增强抗腐蚀能力、增加美观和表面硬度。

（3）电镀的原理

　　电镀的原理与电解精炼铜的原理是一致的。电镀时，一般都是用含有镀层金属离子的电解质配成电镀液；把待镀金属制品浸入电镀液中与直流电源的负极相连，作为阴极；用镀层金属作为阳极，与直流电源正极相连。通入低压直流电，阳极金属溶解在溶液中成为阳离子，移向阴极，这些离子在阴极获得电子被还原成金属，覆盖在需要电镀的金属制品上。

3、铝的冶炼

4、氯碱工业

（1）电解饱和食盐水反应原理

　　①实验步骤

　　按图装置，在U形管里倒入饱和食盐水，插入一根石墨棒作阳极，一根铁棒作阴极。同时在两边管中各滴入几滴酚酞试液，并用湿润的碘化钾淀粉试纸检验阳极放出的气体。接通直流电源后，注意管内发生的现象。

　　②实验现象

　　阳极上有气泡逸出，气体呈黄绿色，有刺激性气味，使湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色，阳极区溶液由无色变为黄绿色。阴极上有气泡逸出，气体无色、无味。阴极区溶液由无色变为浅红色，红色逐渐加深、区域逐渐扩大。

　　③实验结论

　　用惰性材料作阳极，电解食盐的饱和溶液，生成Cl2、H2和NaOH。

　　阳极：2Cl－－2e－＝Cl2↑（放电顺序：Cl－>OH－）

　　阴极：2H＋＋2e－＝H2↑（放电顺序：H＋>Na＋）

　　在上述反应中，由于H＋在阴极上得到电子而生成H2，破坏了附近的水的电离平衡，促进了水继续电离，结果阴极区溶液里OH－的浓度增大而呈现碱性。

（2）离子交换膜法制烧碱

　　①离子交换膜电解槽的组成

　　由阳极（金属钛网）、阴极（碳钢网）、离子交换膜、电解槽框和导电铜棒等组成，每台电解槽由若干个单元槽串联或并联组成。下图表示一个单元槽的示意图。

　　②阳离子交换膜的作用

　　将电解槽隔成阴极室和阳极室，它只允许阳离子（Na＋）通过，而阻止阴离子（Cl－、OH－）和气体通过。这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和NaOH作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

（3）离子交换膜法电解制烧碱的主要生产流程

离子交换膜法电解制碱的主要生产流程

（4）食盐的精制

　　①粗盐的成分:粗盐中的主要成分是NaCl,此外还含有泥沙、Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋、SO42－杂质。这样的粗盐不符合电解要求，因此必须经过精制。

　　②杂质的危害：Ca2＋、Mg2＋、Fe3＋等金属离子在碱性环境中会生成沉淀，损坏离子交换膜；此外，杂质的存在会使得到的产品不纯。

　　③除杂质的过程：

注意：

　　①除杂质时所加试剂的顺序要求是：a、Na2CO3必须在BaCl2之后；b、加入盐酸在过滤之后。

　　②试剂加入顺序有多种选择，如：a、BaCl2、NaOH、Na2CO3、过滤、HCl；b、BaCl2、Na2CO3、NaOH、过滤、HCl；c、NaOH、BaCl2、Na2CO3、过滤、HCl。

（5）、以氯碱工业为基础的化工生产及产品的主要用途

（三）金属的腐蚀

　　金属的腐蚀是指金属或合金跟周围接触到的化学物质发生化学反应而腐蚀损耗的过程。

1、实质

　　金属原子（M）失去电子而被氧化的过程，即 M － ne－＝ Mn＋。

2、类型

　　有电化腐蚀和化学腐蚀两种。

（1） 电化腐蚀：不纯的金属 ( 或合金 ) 接触到电解质溶液发生原电池反应，相对较活泼的金属原子失去电子而被氧化所引起的腐蚀。

（2） 化学腐蚀：金属跟接触到的物质 ( 一般为非电解质 ) 直接发生氧化还原反应而引起的一种腐蚀。

	化学腐蚀	电化腐蚀
条件	金属与电解质等直接接触	不纯金属或合金与电解质溶液接触
现象	无电流产生	有微弱电流发生
本质	金属被氧化的过程	较活泼金属被氧化的过程
相互 关系	化学腐蚀与电化腐蚀往往同时发生 , 但电化腐蚀更普遍，危害严重

3 、电化腐蚀的类型

　　通常有析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情况。这两种腐蚀的差异主要体现在正极反应上。

　　钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的比较见下表

	析氢腐蚀	吸氧腐蚀
条件	水膜酸性较强	水膜酸性很弱或呈中性
正极反应	2H＋＋ 2e－＝ H2↑	O2＋ 2H2O＋ 4e－＝ 4OH－
负极反应	Fe － 2e－＝ Fe2＋

　　金属的电化学腐蚀中最主要的是钢铁的腐蚀。钢铁发生电化学腐蚀的主要化学反应原理是：

　　如图，在潮湿的空气里，钢铁表面吸附了一层薄薄的水膜，这层水膜里含有少量 H＋和 OH－，还溶解了O2等气体，结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液，它跟钢铁里的铁和少量的碳恰好 形成无数微小的原电池 。在这些原电池里，铁是负极，碳是正极。铁失去电子而被氧化。

　　负极： 2Fe－4e－＝ 2Fe2＋

　　正极： 2H2O ＋ O2 ＋ 4e－＝ 4OH－

　　电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的 主要原因 。

　　说明 ：①影响金属腐蚀的因素包括金属的本性和介质两个方面。就金属本性来说，金属越活泼，就越容易失去电子而被腐蚀。

　　介质对金属腐蚀的影响也很大，如果金属在潮湿的空气中，接触腐蚀性气体或电解质溶液，都容易被腐蚀。

　　②由于钢铁制品通常所处的外部环境干燥度较低，氧气的存在又非常广泛，在相同条件下，原电池反应比一般的氧化还原反应速率高，因此，在钢铁的腐蚀类型中主要是电化学腐蚀，其次是化学腐蚀。但是，钢铁的腐蚀类型并不单一，一般是电化学腐蚀与化学腐蚀并存，只是有主次之分而已。

　　③无论哪种类型的金属腐蚀，其本质都是金属被氧化。

4、金属的防护方法

（1）改变金属的内部结构

　　如在铁中添加一些其它元素形成不锈钢，如镍铬不锈钢。

（2）覆盖保护层

（3）使用电化学保护法

① 外加电流的保护法

　　将被保护的金属与外加直流电源负极相连，能导电的惰性材料（如石墨）与电源正极相连，通电后，被保护的金属上积累电子而防止其被氧化而腐蚀。

② 外接活泼电极的保护法

　　在被保护的金属上连接一种更活泼的金属，当发生电化腐蚀时，首先锈蚀的是负极（活泼金属一极），这样就保护了另一极的金属不腐蚀。

　　此外，还有其它保护方法，这里不再介绍。

四、典型例题

例1、（2007年上海卷 ）某学生设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿，然后平铺在一块铂片上，接通电源后，用铅笔在滤纸上写字，会出现红色字迹。据此，下列叙述正确的是（　）

A．铅笔端作阳极，发生还原反应

B．铂片端作阴极，发生氧化反应

C．铅笔端有少量的氯气产生

D．a点是负极，b点是正极

解析：

　　本题考查的是电解饱和食盐水实验，电解实验中阳极发生氧化反应，生成氯气，阴极发生还原反应生成氢气，由电极反应式可知，在阴极生成氢氧化钠，出现红色字迹，所以铅笔做阴极，a为电源负极。

答案：D

例2、（2007年全国卷Ⅰ）以惰性电极电解 CuSO4 溶液。若阳极上产生气体的物质的量为 0.0100mol，则阴极上析出 Cu的质量为 （　）

A．0.64g　　　　　　　　　　B．1.28g

C．2.56g　　　　　　　　　　D．5.12g

解析：

　　本题主要考查了关于电解的定量计算。以惰性电极电解CuSO4溶液时，阳极OH—放电，4OH－-4e—=2H2O+O2↑，当阳极上产生气体的物质的量为0.0100 mol，应有0.0400mol电子转移，阴极上Cu2++2e—=Cu析出Cu的质量为0.0200mol×64g/mol=1.28g

答案：B

　　点评：守恒思想是化学学科的主干思想，以CuSO4溶液电解为情景进行考查，是一个比较简单的切入途径。

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