电解池金属的腐蚀与防护（讲）-高考化学一轮复习

第17讲电解池金属的腐蚀与防护

^考情

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。

【核心素养分析】

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：利用目解池装置，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。

住梳理

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亿反应和还原反应的过程。

⑵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1可路。

2.电解池的工作原理

(1)电极名称及电极反应式(电解CuCL溶液为例)

电源

(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：

K，、Ca2\Na/、Mg2・、A卢、Z/二㈣、5如，Pb汽HPC/，、Fe“、Ag.

放电由难到易"

(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

放电由易到一

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：CCOH-；阴极：Ag->Cu2+>H+<,③电解水溶液时，，K+〜AW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

类型实例电极反应特点或反应式电解产物溶液pH变化溶液复原

含氧酸H2SO4溶液中的H+和OH减小

强碱NaOH一分别在阴阳两极放电：增大

电解阴极：4H+4e

H2

水

水型活泼金属的==2H2TO2

KNO3不变

含氧酸盐阳极：4OH--4e

===2H2O+O2T

无氧酸(氢电解质电离的阴阳

电解增大

HC1H2ChHC1

氟酸除外)离子分别在两极放电：

电解

不活泼金属阳极：2C\~—2e~

质型

CuCl2CuCl2CuCl2

的无氧酸盐===ChtX

放氢阴极水电离的H'

活泼金属的阴极：H?

生碱NaCI放电，阳极电解质电离增大HC1

无氧酸盐阳极：Cl2

型的阴离子放电

阳极：

放氧不活泼金属AgNO3阳极水电离的OH一放Ag减小Ag2O

生酸的含氧酸盐电，阴极电解质的阳离02

性子放电

阴极：Ag*+e^===Ag

知识点二电解原理的应用

1.氯碱工业

Ch..一一一H,,NaOH

淡盐水；

溶液

精制饱和史晶H2O

NaCl溶液父换膜（含少量NaOH）

阳极反应式：2c厂—2广===027（氧化反应）

阴极反应式：2H+2e—===H2T（还原反应）

总反应方程式：

由解

2NaCl+2H2O=^=2NaOH+H2T+Ch?

2.电镀与电解精炼

^一

电镀电解精炼铜

l

3.J

示怠图铜片、绅—和

铁和喈团

CuSO.件二|贽固一

溶液HV

阳极Cu-2e===Cu2Zn_2e===Zn21,Cu-2e===Cu2

电极反应

阴极Cu2f+2e===CuCu2++2e-===Cu

电解质溶液的浓度变化CuSO,溶液的浓度不变CuSCh溶液的浓度变小

3.电冶金

电解冶炼冶炼钠冶炼铝

阳极：2c「-2晨===。2]阳极：6O2--12c"===3021

电极反应

阴极：2Na'+2e===2Na阴极：4Al3+4-I2e-===4Al

由解由解

总反应2NaQ（熔融）=^=2Na+CbT2Al2。3（熔融）=%=4Al+302T

知识点三金属的腐蚀与防护

1.金属腐蚀的本质

C.在电解槽底部产生含Cu的阳极泥D.阳极和阴极的质量变化相等

【答案】C

【解析】根据电解原理可知，电解池中阳极发生失电子的氧化反应，阴极发生得电子的还原反应，该

题中以熔融盐为电解液，含Cu、Mg和Si等的铝合金废料为阳极进行电解，通过控制一定的条件，从而可

使阳极区Mg和AI发生失电子的氧化反应，分别生成Mg2+和A伊，Cu和Si不参与反应，阴极区AP+得电

子生成A1单质，从而实现A1的再生，据此分析解答。阴极应该发生得电子的还原反应，实际上Mg在阳极

失电子生成Mg2+,A错误；Al在阳极上被氧化生成A13+,B错误；阳极材料中Cu和Si不参与氧化反应，

在电解槽底部可形成阳极泥，C正确；因为阳极除了铝参与电子转移，镁也参与了电子转移，且还会形成阳

极泥，而阴极只有铝离子得电子生成铝单质，根据电子转移数守恒及元素守恒可知，阳极与阴极的质量变

化不相等，D错误；故选C。

【变式探究】（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（）

/阳极

A.阳极发生将海水中的C「氧化生成C12的反应

B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaQO

C.阴极生成的H?应及时通风稀释安全地排入大气

D.阳极表面形成的Mg（OH）2等积垢需要定期清理

【答案】D

【解析】海水中存在大量的在阳极C「放电生成CL，A叙述正确；阴极H2。放电生成Hz和OH

一，OH一与CL反应生成CIO,因此管道中存在一定量的NaCK）,B叙述正确；因为H?为可燃性气体，所

以阴极生成的在应及时通风稀释安全地排入大气，C叙述正确；阴极产生OFT,因此会在阴极表面形成

Mg（OH）2等积垢，需定期清理以保持良好的导电性，D叙述错误。

【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—4晨=414++02T

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02与b极反应的02等量

【答案】D

【解析】根据图像可知，b极由。2反应生成了H2O2,在这个过程中，氧元素化合价降低，发生了得电

子的还原反应，因此b极是电解池的阴极，可推出阴极的电极反应式为O2+2b+2H-=H2O2；则a极为

电解池的阳极，发生失电子的氧亿反应，根据图像可知阳极生成了氧气，则阳极反应为2H2O-4e=4H'

+O2T，故A正确；根据阳极的电极反应可知，阳极生成了氢离子，但同时生成的氢离子全部从阳极室移向

阴极室，故电解一段时间后，阳极室的pH未变，故B正确；电解池的电解质溶液中，阳离子会移向阴极，

+

故氢离子由a极区向b极区迁移，故C正确；阳极的电极反应式为2H2O-4e=4H+O2t，保持阴极和

阳极电极反应的得失电子数一致，可得阴极的电极反应为202+4b+4H+=2出。2,同一个电路中阳极的

失电子总数和阴极的得电子总数在相同情况下是一样的，故电解一段时间后，a极生成的氧气与b极反应的

氧气的物质的量之比为1：2,不相等，故D错误。

高频考点二电极反应式的书写与判断

A.电极A为阴极，发生还原反应

【答案】C

【解析】由电解示意图可知，电极B上MM+转化为了MnOz,锦元素化合价升高，失电子，则电极B

为阳极，电极A为阴极，得电子，发生还原反应，A正确；由电解示意图可知，电极B上Mn计失电子转化

为了MnO?,电极反应式为：2H2O+MM+2e=MnCh+4H+,B正确：电极A为阴极，LiMmCh得电子，电极反

+2+

应式为：2LiMn2O4+6e+16H=2Li*+4Mn+8H2O,依据得失电子守恒，电解池总反应为：

++2+

2LiMn2O4+4H=2Li+Mn+3MnO2+2H2O,反应牛.成了Mn?+,浓度增大，C错误；电解池总反应为：

2LiMmO4+4H+=2Li++Mn2++3MnO2+2H2O,电解结束后，可通过调节溶液pH将锌岗子转化为沉淀除去，然

后再加入碳酸钠溶液，从而获得碳酸锂，D正确；故选C。

【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===H2T（或2Hg+2e-===H2T+2OFT）；总反应

由解

离子方程式为2c「+2&0=辇=20H-+Hzt+Cht。

②电解水溶液时，应注意放电顺序,位于H+、OH之后的寓子一般不参与放电。

③Fe3+在阴极上放电时生成Fe?+而不是得到单质Fe°

【变式探究】（2021•广东卷）钻（C。）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

液中电解制备金属钻的装置示意图。下列说法正确的是（）

A.工作时，I室和II室溶液的pH均增大

B.生成ImolCo,I室溶液质量理论上减少16g

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：2co"+2H2。鲤丸2Co+O2f+4H，

【答案】D

【解析】石墨电极为阳极，电极反应式为2H2。-4C-=O2T+4H+,通过阳离子交换膜由I室进入

【I室，右侧C。电极为阴极，电极反应式为Co2++2e--C。，C「通过阴离子交换膜由HI室进入II室，与H

’结合生成盐酸。由上述分析知，I室中水放电使硫酸浓度增大，II室中生成盐酸，故I室和II室溶液的pH

均减小，A错误；生成1molCo时，转移2moi电子，I室有0.5mol0?（即16g）逸出，有2moiH一（即2g）

通过阳离子交换膜进入II室，则I室溶液质量理论上减少18g,B错误；移除两交换膜后，石墨电极上的电

极反应式为2c「-2-=（2123C错误；根据上述分析可知，电解时生成了02、Co、H+,则电解总反应为

2++

2Co+2H2O^^2CO+O21+4H,D正确。

高频考点三电子守恒在电化学计算中的应用

A.装置工作时，甲室溶液pH逐渐增大

B.装置工作一段时间后，乙室应补充盐酸

【答案】BD

【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)根据电子守怛计算

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】(2021•全国甲卷)乙醛酸是一种重要的化工中间体，可采用如下图所示的电化学装置合成。

图中的双极膜中间层中的比。解离为H+和OH,并在直流电场作用下分别向两极迁移。卜列说法正确的

是()

1

OO

HIIII

O已石

铅IIO-C-C-H+H-C-C-H

，（乙醛酸）.（乙二醛《六,生

电HV\\）

OOt电

极IIo

IIO-C-C-OIIH（）-C-C-H2Br极

3r

（乙二酸）(乙醛酸)

饱和乙二酸溶液双极膜乙二醛+KBr溶液

A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用

C.制得2moi乙醛酸，理论上外电路中迁移了1mol电子

D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移

【答案】D

【解析】由题图可知，在铅电极乙二酸变成乙醛酸是去氧的过程，发生还原反应，则铅电极是电解装

置的阴极，石墨电极发生氧化反应，反应为2B「-2b==Br2,是电解装置的阳极。由.匕述分析可知，B「

起到还原剂的作用，A错误；阳极上的反应式为2B「-2e-==Br2,B错误；制得2moi乙醛酸，实际上是

左、右两侧各制得1mol乙醛酸，共转移2moi电子，故理论上外电路中迁移的电子为2mol,C错误；电

解装置中，阳离子移向阴极(即铅电极)，D正确。

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

(1)甲槽电解的是200mL一定浓度的NaCI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(气体体积已爽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NaCI的物质的量浓度为molL_1,CuSCh的物质的量浓度为molL-,o

②，2时所得溶液的pH=。

(2)乙槽为2()0mLCuSO4溶液，乙槽内电解的总离子方程式：：

①当C极析出0.64g物质时，乙槽溶液中生成的H2s04为moU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)2B.CuO

C.CuCO3D.CU2(OH)2CO3

②若通电一段时间后，向所得的乙槽溶液中加入0.2mol的Cu(0H)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.

【解析】(1)①A、B、C、D均为惰性电极Pt,甲槽电解NaCI和CuSO』的混合液，阳极上离子放电顺

2+

序为CP>OH>SOf,阴极上离子放电顺序为Cu>H*>Na\开始阶段阴极上析出Cu,阳极上产生Cl2,

则题图2中曲线I代表阴极产生气体体积的变化，曲线H代表阳极产生气体体积的变化。阳极上发生的反

-_

应依次为2c「-2b===C12T、4OH-4e===2H2O+O2f,由曲线H可知，C「放电完全时生成224mLeh，

根据Cl原子守恒可知，溶液中c(NaCl)=吗4F=0.1molLj阴极上发生的反应依次为加2++2€一

+

===Cus2H+2e-===H2t，由曲线II可知CiN放电完全时，阳极上产生224mLeE和112mL0?，则电路

中转移电子的物质的量为0.01molx2+0.005molx4=0.04mol,据得失电子守恒可知«(Cu2+)=0.04molx1=

0.02mol,故混合液中c(CuS04)=普詈^O.l②0〜”时间内相当于电解CuCk，电解反应式为

由解由解

CuC12=M"=Cu+C123h〜时间内相当于电解CuSCh，而电解CuSCh溶液的离子反应为2(2产+2%0=里=

2Cu+02T+4不，则生成H*的物质的量为0.005molx4=0.02mol,则有。但+)=嘿兽=0.1，故

U•41—/

溶液的pH=l。（2）电解C11SO4溶液时，Cf+在阴极放电，水电离的OFT在阳极放电，电解的总离子方程式

为2CM++2H2O=里鲤=2Cu+02T-4H+。©C极为阴极，电极反应式为C/++2e一===Cu,析出0.64gCu（即

0.01mol）时，生成H2sCh的物质的量也为0.01mol。电解C11SO4溶液时，阴极析出Cu,阳极上产生O2,故

可向电解质溶液中加入CuO.C11CO3等使电解质溶液完全复原。②加入0.2molCu（0H）2相当于加入0.2mol

CuO和0.2molH2O,则电解过程中转移电子的物质的量为0.2molx2+0.2molx2=0.8mol,即0.8M\个电子。

【答案】（1）①0.10.1②】

2,由解+.

（2）2Cu+2H2O=^=2Cu+O2t+4H①0.01BC②0.8必

高频考点四电解原理的应用

[例J4]（2022•北京卷）利用下图装置进行铁上电镀铜的实验探究。

序电解质

装置示意图实验现象

号溶液

阴极表面有无色气体，一段时间后阴极表面有红色固体，气

①

1"1体减少。经检验电解液中有Fe?+

Cu—-Fe

阴极表面未观察到气体，一段时间后阴极表面有致密红色固

②

体。经检验电解液中无Fe元素

1

卜冽说法不正碰的是

【答案】C

【变式探究】（2021・广东卷）环氧乙烷（C2H40）常用于医用消毒，一种制备方法为：使用精性电极电解KC1

溶液，用C「交换膜将电解液分为阴极区和阳极区，其中一区持续通入乙烯；电解结束，移出交换膜，两区

混合反应：HOCH2cH2C1+OH==C「+H2O+C2H式）。下列说法错误的是（）

A.乙烯应通入阴极区

B.移出交换膜前存在反应。2+比0HCI+HCIO

C.使用C厂交换膜阻止OH通过，可使C12生成区的pH逐渐减小

D.制备过程的总反应为H2C=CH2+H2O=H2T+C2H4O

【答案】A

【解析】环氧乙烷的制备原理：C「在阳极被氧化生成Cb，CL与水发生反应CI2+H2OHC1+HC1O,

HCIO与乙烯发生加成反应生成HOCH2cH20；阴极区水电离出的氢离子放电生成氢气，同时产生氢氧根离

子，电解结束，移出交换膜，两区混合反应：HOCH2cH20+0丁=。一+H2O+C2H40。阳极区产生HC10,

所以乙烯通入阳极区，故A错误；根据分析可知阳极氧化生成的氯气会与水发生反应。2+H2OHCI+

HCIO,故B正确：根据分析可知阳极区会产生HC1,使用C「交换膜阻止0K通过，HC1的浓度不断增

大，pH逐渐减小，故C正确；根据分析可知该反应过程中KC1并没有被消耗，实际上是水、乙烯反应，总

反应为H2C=CH2+H2O=H21+C2H4O,故D正确。

【举一反三】（2020.全国II卷）电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能.下图是某电致变

色器件的示意图。当通电时，Ag+注入到无色WO3薄膜中，生成AgiWCh，器件呈现蓝色，对于该变化过程,

下列叙述错误的是（）

固体电解质，只

允许Ag通过

电致变色层（WO3）

透明导电层

A.Ag为阳极

B.Ag-由银电极向变色层迁移

C.W元素的化合价升高

D.总反应为WO3+AAg=AgtWO3

【答案】C

【解析】该装置是电解池，通电时银失去电子被氧化为Ag,因此，银电极为阳极，A项正确；电解

池工作时，Ag'向阴极移动，即Ag*由银电极向变色层迁移，B项正确；WOa在阴极发生还原反应，即W

元素的化合价降低，C项错误；电池总反应为WO3+xAg=Ag；WO3,D项正确。

【变式探究】（2020•全国卷H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）。

b

淡盐水,

阳极I*I阴极

精制盐水稀NaOH溶液

⑵（2020•全国卷II节选）Cd和CO?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:

电极B

固体电解质(传导O2)

电极A。碳

。辄

•乳

①阴极上的反应式为O

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o

【解析】(1)结合题图电解装置，可知阴极上水电离出的H+得电子生成H?,Na-从左侧通过离子膜向阴

极移动，即该装置中的离子膜只允许Na卡通过；电解时阳极上C「失去电子，Ch在a出口逸出。(2)①结合

图示可知CO?在阴极发生还原反应生成CO,即阴极上的反应式为CO2+2e-==CO+C)2-。②设生成c2H4

和C2H6的物质的量分别为2moi和1mol,则反应中转移电子的物质的量为4moix2+2molxl=10mol,根

据碳原子守恒，可知反应的CH4为6mol；则由CO2TCO转移10mol电子，需消耗5moicO2，则反应中

消耗CH4和C02的体积比为6：5o

【答案】(l)Na-a(2)①CCh+2e=CO+()2-②6：5

高频考点五金属腐蚀与防护

【答案】D

【解析】镀层有破损的镀锌铁片被腐蚀，则将其放入到酸化的3%NaCl溶液中，会构成原电池，由于锌

比铁活泼，作原电池的负极，而铁片作正极，溶液中破损的位置会变大，铁也会继续和酸化的氯化钠溶液

反应产生氢气，溶液中