2022届高考统考化学人教版一轮复习教师用书：第1部分 第6章 第3节　电解池　金属的腐蚀与防护教案

这是一份2022届高考统考化学人教版一轮复习教师用书：第1部分 第6章 第3节　电解池　金属的腐蚀与防护教案，共31页。

电解原理及其规律
知识梳理
1．电解与电解池
(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有与外接直流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。
[辨易错]
(1)NaCl在水中电离需要通电。( )
(2)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程，属于化学变化。( )
[答案] (1)× (2)√
2．电解池工作原理
(1)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
(2)电解池中电子和离子的移动
①电子：从电源负极流出后，流向电解池阴极；从电解池的阳极流向电源的正极。电子不能通过电解质溶液。
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电流：从电源的正极流出，流入阳极，再通过电解质溶液流入阴极，最后流向负极，形成闭合回路。
(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，放电顺序为
②阳极：若是活性电极作阳极，则活性电极首先失电子，生成金属阳离子，发生氧化反应。
若是惰性电极作阳极，放电顺序为
注意：①放电指的是电极上的得、失电子。
②活性电极指的是除去Au、Pt以外的金属，惰性电极指的是Pt、Au、C电极，不参与电极反应。
③阴极材料若为金属电极，一般是增强导电性但不参与反应。
④电子不下水，离子不上线。
[深思考]
用惰性电极电解2 ml·L－1 NaCl和1 ml·L－1 CuSO4的混合溶液，电解过程明显分两个阶段。
第一阶段：
阴极反应式： ，
阳极反应式： 。
第二阶段：
阴极反应式： ，
阳极反应式： 。
[答案] Cu2＋＋2e－===Cu 2Cl－－2e－===Cl2↑
4H＋＋4e－===2H2↑ 4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
3．以惰性电极电解水溶液的有关规律
(1)电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐
①阴极反应式为4H＋＋4e－===2H2↑，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，总方程式为2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2H2↑＋O2↑。
②电解质浓度变大，pH可能变大、变小或不变，可加H2O复原。
(2)电解电解质类型——无氧酸(如HCl)，不活泼金属无氧酸盐(如CuCl2)电解质浓度变小，加电解质本身复原。
(3)放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
①阴极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，阳极反应式为2Cl－－2e－===Cl2↑，总方程式为2Cl－＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))Cl2↑＋H2↑＋2OH－。
②溶液pH变大，加HCl(卤化氢)复原。
(4)放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
①阴极反应式为2Cu2＋＋4e－===2Cu，阳极反应式为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，总方程式为2Cu2＋＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2Cu＋O2↑＋4H＋。
②溶液pH变小，加CuO(金属氧化物)或CuCO3复原。
[辨易错]
(1)电解时电子流动方向为负极→阴极→电解质溶液→阳极→正极。( )
(2)用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后，加入Cu(OH)2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状态。( )
(3)用惰性电极电解MgCl2溶液的离子方程式为2Cl－＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))Cl2＋2OH－＋H2↑。( )
(4)用Cu作电极电解CuSO4溶液的阳极反应为2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)×
知识应用
利用如图所示装置，以NH3为氢源，通过电解实现氢化反应。请回答：
(1)a为 极，电极反应式为 。
(2)b极电极反应式为 ，H＋移向 极。
(3)每消耗22.4 L NH3(标准状况)，生成的物质的量为 。
命题点1 电解原理及电极反应书写
1．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、阳离子根据放电能力顺序，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2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑
B．C1电极处溶液首先变黄色
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(NA表示阿伏加德罗常数的值)
C [C1电极与电源的负极相连，作阴极，溶液中的H＋在阴极放电，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑，A错误；C1电极上H＋放电生成H2，C2电极与电源的正极相连，作阳极，Fe2＋的还原性强于Cl－，则依次发生的电极反应为Fe2＋－e－===Fe3＋、2Cl－－2e－===Cl2↑，故C2电极处溶液首先变黄色，B错误，C正确；电子只能通过导线传递，不能通过溶液传递，D错误。]
2．如图是一个化学过程的示意图。
(1)图中甲池是 装置(填“电解池”或“原电池”)，其中OH－移向 极(填“CH3OH”或“O2”)。
(2)写出通入CH3OH的电极的电极反应式：
。
(3)向乙池两电极附近滴加适量紫色石蕊试液，附近变红的电极为 极(填“A”或“B”)，并写出此电极的反应式： 。
(4)乙池中总反应的离子方程式： 。
(5)若乙池中A、B均换为Ag，A电极反应式为
。
(6)若使乙、丙池中溶液复原，应分别加入的物质是 、 。
[解析] 根据题图可知甲为原电池，左电极为负极，右电极为正极，乙、丙池为电解池，A为阳极，B为阴极，C为阳极，D为阴极。
[答案] (1)原电池 CH3OH
(2)CH3OH－6e－＋8OH－===COeq \\al(2－,3)＋6H2O
(3)A 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O或2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(4)4Ag＋＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))4Ag↓＋O2↑＋4H＋
(5)Ag－e－===Ag＋
(6)Ag2O HCl
电极反应式和电解方程式的书写要点
(1)做到“三看”，正确书写电极反应式
①一看电极材料，若是金属(Au、Pt除外)作阳极，金属一定被电解(注：Fe生成Fe2＋)。
②二看电解质，电解质是否参与电极反应。
③三看电解质状态，是熔融状态，还是水溶液。
(2)规避“两个”失分点
①书写电解池中电极反应式时，一般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，且注明“电解”条件。
②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。
命题点2 电化学的基本计算——电子守恒法
电化学中两种基本计算模型
注：在电化学计算中，还常利用Q＝I·t和Q＝n(e－)×NA(NA表示阿伏加德罗常数的值)×1.60×10－19 C来计算电路中通过的电量。
3．(2020·大连模拟)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液，通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1 ml Cu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。则电解过程中转移电子的物质的量为 ( )
A．0.4 ml B．0.5 ml
C．0.6 ml D．0.8 ml
C [Cu2(OH)2CO3可改写为2CuO·H2O·CO2，因反应后生成的CO2离开溶液，所以加入0.1 ml Cu2(OH)2CO3相当于加入0.2 ml CuO、0.1 ml H2O，根据
转移电子的物质的量＝0.4 ml＋0.2 ml＝0.6 ml。 ]
4．500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq \\al(－,3))＝0.6 ml·L－1，用石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到2.24 L气体(标准状况下)，假定电解后溶液体积仍为500 mL，下列说法正确的是( )
A．原混合溶液中c(K＋)为0.2 ml·L－1
B．上述电解过程中共转移0.2 ml电子
C．电解得到的Cu的物质的量为0.05 ml
D．电解后溶液中c(H＋)为0.2 ml·L－1
A [石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液，阳极反应式为4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极先后发生两个反应：Cu2＋＋2e－===Cu,2H＋＋2e－===H2↑。从收集到O2为2.24 L可推知上述电解过程中共转移0.4 ml电子，而在生成2.24 L H2的过程中转移0.2 ml电子，所以Cu2＋共得到0.4 ml－0.2 ml＝0.2 ml电子，电解前Cu2＋的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1 ml。电解前后分别有以下守恒关系：c(K＋)＋2c(Cu2＋)＝c(NOeq \\al(－,3))，c(K＋)＋c(H＋)＝c(NOeq \\al(－,3))，不难算出：电解前c(K＋)＝0.2 ml·L－1，电解后c(H＋)＝0.4 ml·L－1。]
命题点3 多池连接的综合装置分析
5．用石墨电极完成下列电解实验。下列对实验现象的解释或推测不合理的是( )
A.a、d处：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
B．c处发生反应：Fe－2e－===Fe2＋
C．根据实验一的原理，实验二中n处析出O2
D．b处：2Cl－－2e－===Cl2↑，Cl2溶于水生成HClO，使pH试纸褪色
C [由装置图可知，实验一中a、d为阴极，水电离出的氢离子得电子生成氢气，即2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，故a、d处pH试纸显蓝色，A项正确；实验一中c、b为阳极，c处发生反应：Fe－2e－===Fe2＋，由于生成的Fe2＋浓度较小，且pH试纸本身有颜色，故c处无明显变化，b处发生反应：2Cl－－2e－===Cl2↑，产生的Cl2溶于水生成HCl和HClO，故b处变红，局部褪色，B、D项正确；结合实验一的原理和题图知，实验二中两个钢珠的左侧均为阳极，右侧均为阴极，初始时两个钢珠的左侧均发生反应：Fe－2e－===Fe2＋，右侧均发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，一段时间后，Fe2＋移动到m和n处，m、n处附近Fe2＋浓度增大，发生反应：Fe2＋＋2e－===Fe，故实验二中n处不能产生O2，C项错误。]
6．某实验室用新型二次电池模拟工业上制备Mn和MnO2的工作原理如图所示。下列说法错误的是( )
A．a电极的电极反应为：MnO2＋4H＋＋2e－===Mn2＋＋2H2O
B．装置工作时，c、d两个电极的质量都增加
C．c电极反应为Mn2＋＋2e－===Mn
D．d电极附近溶液的pH增大
D [根据示意图可知b为负极，a为正极，c为阴极，d为阳极。c、d的电极反应分别为Mn2＋＋2e－===Mn，Mn2＋－2e－＋2H2O===MnO2＋4H＋。d电极附近溶液c(H＋)增大，pH变小，D错误。]
多池串联装置中电极的判断模型
(1)
注意：原电池一般能自发进行。
(2)
电解原理的实际应用
知识梳理
1．电解饱和食盐水——氯碱工业
(1)电极反应
阳极：2Cl－－2e－===Cl2↑(反应类型：氧化反应)。
阴极：2H＋＋2e－===H2↑(反应类型：还原反应)。
检验阳极产物的方法是用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近，若试纸变蓝，证明生成了Cl2。电解时向食盐水中加酚酞，阴极附近溶液变红，说明该电极附近产生的物质为NaOH。
(2)电解方程式
化学方程式：2NaCl＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。
离子方程式：2Cl－＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))2OH－＋H2↑＋Cl2↑。
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
①阳离子交换膜的作用
阻止OH－进入阳极室与Cl2发生副反应：2NaOH＋Cl2===NaCl＋NaClO＋H2O，阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液；X、Y分别是Cl2、H2。
[辨易错]
(1)电解熔融NaCl与电解饱和食盐水的反应原理相同。( )
(2)工业上电解饱和食盐水中，Na＋通过交换膜移向阳极。( )
(3)电解饱和食盐水制碱时，用Fe作阴极可增强导电性。( )
(4)电解饱和食盐水制碱时，食盐水中不能含有Ca2＋、Mg2＋等离子。( )
[答案] (1)× (2)× (3)√ (4)√
2．电镀铜与电解精炼铜
(1)电镀铜
(2)电解精炼铜
3．电冶金属——活泼金属的冶炼方法
(1)电解熔融氯化钠得到钠
(2)电解熔融Al2O3制Al
2Al2O3(熔融)eq \(=======,\s\up17(电解),\s\d17(冰晶石))4Al＋3O2↑
电极反应：
阳极：6O2－－12e－===3O2↑；
阴极：4Al3＋＋12e－===4Al。
冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。
[辨易错]
(1)电解精炼银时，粗银作阴极。( )
(2)电镀铜和电解精炼铜时，电解质溶液中c(Cu2＋)均保持不变。( )
(3)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3，也可以电解MgO和AlCl3。( )
(4)粗铜电解精炼时，若电路中通过2 ml e－，阳极减少64 g。( )
[答案] (1)× (2)× (3)× (4)×
知识应用
电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如图：
电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴阳两极均为惰性电极。
(1)A极为 ，电极反应式为
。
(2)B极为 ，电极反应式为
。
(3)电解过程KOH的浓度有什么变化？ 。
[答案] (1)阳极 CO(NH2)2＋8OH－－6e－===N2↑＋COeq \\al(2－,3)＋6H2O
(2)阴极 6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－
(3)变小
命题点1 电解原理的常规工业应用
1．目前电解法制烧碱通常采用离子交换膜法，阳(阴)离子交换膜不允许阴(阳)离子通过。则下列叙述中错误的是( )
A．NaOH、H2均在Ⅰ区产生
B．图中a为阴离子交换膜
C．使用离子交换膜可以有效地隔离NaOH和Cl2，阻止二者之间的反应
D．电解时往Ⅲ区的溶液中滴加几滴甲基橙，溶液先变红后褪色
B [Ⅰ区是阴极室，H＋(H2O)放电生成氢气，同时促进水的电离，生成氢氧化钠，Ⅱ区Na＋通过a进入Ⅰ区，故a应该是阳离子交换膜；Ⅲ区和电源的正极相连，为阳极，Cl－放电生成氯气，Ⅱ区Cl－通过b进入Ⅲ区，故b应该是阴离子交换膜；氯气溶于水显酸性，同时次氯酸还具有漂白性，所以滴入甲基橙后溶液先变红后褪色。错误的是B。]
2．金属镍有广泛的用途，粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质，可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述中正确的是(已知：氧化性Fe2＋Zn2＋，故阴极反应式为Ni2＋＋2e－===Ni，可见，阳极质量减少是因为Zn、Fe、Ni溶解，而阴极质量增加是因为Ni析出，B项错误；电解后溶液中的阳离子除Fe2＋和Zn2＋外，还有Ni2＋和H＋，C项错误。]
命题点2 电解在物质制备、废水处理等方面的应用
3．(2020·广州市广雅中学模拟)一种电解法合成氨的装置如图所示，该法采用高质子导电性的SCY陶瓷，用吸附在它内外表面上的金属 Pd 多晶薄膜做电极，实现了 570 ℃、常压下高转化率合成氨。下列叙述正确的是( )
A．阴极的电极反应式为 N2＋8H＋＋6e－===2NHeq \\al(＋,4)
B．该装置工作时，H＋ 从a极区向b极区迁移
C．每生成1 ml NH3 ，有 3 g H2 被氧化
D．该装置实现了在常温常压下高转化率合成氨
C [反应总方程式为N2＋3H22NH3，反应中N元素化合价降低，被还原，a应为电解池阴极，电极反应式为N2＋6e－＋6H＋===2NH3，H元素化合价升高，被氧化，b应为电解池阳极反应，电极反应式为H2－2e－===2H＋。]
4．科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案消除甲醇对水质造成的污染，主要包括电化学过程和化学过程，原理如图所示，下列说法错误的是( )
A．M为电源正极，N为电源负极
B．电解过程中，需要不断地向溶液中补充C2＋
C．CH3OH在溶液中发生6C3＋＋CH3OH＋H2O===6C2＋＋CO2↑＋6H＋
D．若外电路中转移1 ml电子，则产生的H2在标准状况下的体积为11.2 L
B [电解过程中，阳极上C2＋失电子产生C3＋，C3＋与乙醇反应产生C2＋，C2＋可循环使用，不需要向溶液中补充C2＋，选项B错误。]
5．(2020·白城联考)世界水产养殖协会网介绍了一种利用电化学原理净化鱼池中水质的方法，其装置如图所示。下列说法正确的是( )
A．X为电源负极
B．若该装置在高温下进行，则净化效率将降低
C．若有1 ml NOeq \\al(－,3)被还原，则有6 ml H＋通过质子膜迁移至阴极区
D．若BOD为葡萄糖(C6H12O6)，则1 ml葡萄糖被完全氧化时，理论上电极流出20 ml e－
B [从装置图中可知，X端连接的电极上发生反应是微生物作用下BOD、H2O反应生成CO2，Y端连接的电极上，微生物作用下，硝酸根离子生成了氮气，氮元素化合价降低，发生还原反应，为电解池的阴极，则Y为负极，X为正极，结合电极反应和电子守恒计算，质子膜允许氢离子通过。]
6．(1)在饱和KHCO3电解液中电解CO2来制备乙醇的原理如图1所示。则阴极的电极反应式是 。
图1
(2)以纯锡为阳极材料，以NaOH和Na2SnO3为电解液，待镀金属为阴极材料，可实现在待镀金属上的持续镀锡，镀锡时阳极的电极反应式为 。
(3)在碱性条件下，用惰性电极电解NaBO2溶液也可制得NaBH4，装置如图2所示，电解总反应的离子方程式为
。
图2
[答案] (1)14CO2＋12e－＋9H2O===CH3CH2OH＋12HCOeq \\al(－,3)
(2)Sn＋6OH－－4e－===SnOeq \\al(2－,3)＋3H2O
(3)BOeq \\al(－,2)＋2H2Oeq \(=====,\s\up7(电解))BHeq \\al(－,4)＋2O2↑
金属的腐蚀与防护
知识梳理
1．金属的腐蚀
(1)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。可表示为M－ne－===Mn＋。
(2)类型
2.电化学腐蚀的分类
以钢铁的腐蚀为例进行分析
注意：铁锈的成分为Fe2O3·xH2O，其形成过程还涉及下列反应：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3；
2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)＋(3－x)H2O。
[辨易错]
(1)金属腐蚀的本质是金属得电子被氧化，在自然界中主要发生电化学腐蚀。( )
(2)任何金属在酸性较强时均可发生析氢腐蚀。( )
(3)钢铁发生析氢腐蚀与吸氧腐蚀时溶液的pH均增大。( )
[答案] (1)× (2)× (3)√
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。
(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、电镀或表面钝化等方法。
注意：牺牲阳极的阴极保护法中所说的阳极是指原电池的负极，即发生氧化反应的电极在原电池中也常称为阳极。
(4)实验探究：
为验证牺牲阳极的阴极保护法，如图所示：
①Fe作正极，电极反应式为2H＋＋2e－===H2↑。
②Zn电极反应式为Zn－2e－===Zn2＋。
③Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液，溶液是否有蓝色沉淀生成？否，说明Fe被保护。
④若将Zn改为Cu，则Fe电极附近加K3[Fe(CN)6]溶液，现象为溶液中生成蓝色沉淀，说明Cu被保护。此现象的离子方程式为3Fe2＋＋2[Fe(CN)6]3－===Fe3[Fe(CN)6]2↓。
知识应用
1．实验探究(如图所示)
(1)若棉团浸有NH4Cl溶液，铁钉发生 腐蚀，正极反应式为 ，
右试管中现象是 。
(2)若棉团浸有NaCl溶液，铁钉发生 腐蚀，正极反应式为 ，
右试管中现象是 。
[答案] (1)析氢 2H＋＋2e－===H2↑ 有气泡冒出
(2)吸氧 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 导管内液面上升
2．建造轮船时，常在船体嵌入一定量铝条，请说出其中的原理和原因。
[答案] 铝比铁活泼，形成原电池时，铝为负极，铁为正极被保护。
命题点1 金属的腐蚀原理及影响因素
1．如图，将一根纯铁棒垂直没入水中，一段时间后发现AB段产生较多铁锈，BC段腐蚀严重。下列关于此现象的说法不正确的是( )
A．铁棒AB段的溶解氧浓度高于BC段
B．铁棒AB段电极反应为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
C．铁棒AB段的Fe2＋浓度高于BC段
D．该腐蚀过程属于电化学腐蚀
C [AB段作原电池正极，BC段为原电池负极。BC段为Fe－2e－===Fe2＋，AB段为O2＋2H2O＋4e－===4OH－，BC段溶解而被腐蚀，AB形成铁锈。C项不正确。]
2．(2020·南阳高三模拟)某同学进行下列实验：
下列说法不合理的是( )
A．生铁片发生吸氧腐蚀
B．中心区的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
C．边缘处的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－
D．交界处只发生Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2
D [交界处发生了Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3,2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O＋(3－x)H2O，D项错误。]
3．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为 (填序号)。
[解析] ②③④是原电池，⑤⑥是电解池，金属被腐蚀由快到慢的顺序是：电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
[答案] ⑤④②①③⑥
判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说，腐蚀的快慢：电解池原理引起的腐蚀>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，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(浓度相同)
(3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀速率越快。
命题点2 金属的防护原理
4．(2017·全国卷Ⅰ)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是( )
A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
C [A项，外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流，正确；B项，被保护的钢管桩作阴极，高硅铸铁作阳极，电解池中外电路电子由阳极流向阴极，即从高硅铸铁流向钢管桩，正确；C项，高硅铸铁为惰性辅助阳极，其主要作用是传递电流，而不是作为损耗阳极，错误；D项，保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流，应根据环境条件变化进行调整，正确。]
5．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
D [②中Zn作负极，发生氧化反应生成Zn2＋，Fe作正极被保护，所以取出的少量Fe附近的溶液中滴入铁氰化钾溶液，试管内无明显变化。但③中没有Zn保护Fe，Fe在酸性环境中发生析氢腐蚀，Fe作负极被氧化生成Fe2＋，所以取出的少量Fe附近的溶液中滴入铁氰化钾溶液，生成蓝色沉淀，对比②③可知Zn保护了Fe，A项正确；①与②的区别在于：前者是将铁氰化钾溶液直接滴入烧杯中，而后者是在取出的少量Fe附近的溶液中滴加铁氰化钾溶液，①中出现了蓝色沉淀，说明有Fe2＋生成。 对比分析可知，可能是铁氰化钾氧化Fe生成了Fe2＋，B项正确；通过上述分析可知，验证Zn保护Fe时不能用①的方法，C项正确；若将Zn换成Cu，铁氰化钾仍会将Fe氧化为Fe2＋，在铁的表面同样会生成蓝色沉淀，所以无法判断Fe2＋是不是负极产物，即无法判断Fe与Cu的活泼性，D项错误。]
隔膜在电化学装置中的应用
分析近几年高考试题，涉及隔膜电化学装置的试题比较多，且常出常新，每年都有变化。隔膜的功能在于选择性地通过某些离子或阻止某些离子来隔离某些物质，进而制备一些特定物质。体现了科学探究与创新意识的化学核心素养。
1．隔膜的分类
隔膜又叫离子交换膜，由高分子特殊材料制成。离子交换膜分三类：
(1)阳离子交换膜，简称阳膜，只允许阳离子通过，即允许H＋和其他阳离子通过，不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜，简称阴膜，只允许阴离子通过，不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜，只允许H＋通过，不允许其他阳离子和阴离子通过。
(4)双极膜又称双极性膜，是特种离子交换膜，它是由一张阳膜和一张阴膜复合制成的阴、阳复合膜。该膜的特点是在直流电场的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－分别通过阴、阳膜，作为H＋和OH－的离子源。
2．隔膜的作用
(1)能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应。
(2)能选择性地通过离子，起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3．离子通过隔膜的定量关系
(1)通过隔膜的离子带的电荷数等于电路中电子转移数。
(2)离子迁移：依据电荷守恒，通过隔膜的离子数不一定相等。
[典例导航]
(2020·全国卷Ⅰ)科学家近年发明了一种新型Zn－CO2水介质电池。电池示意图如下，电极为金属锌和选择性催化材料。放电时，温室气体CO2被转化为储氢物质甲酸等，为解决环境和能源问题提供了一种新途径。
下列说法错误的是( )
A．放电时，负极反应为Zn－2e－＋4OH－===Zn(OH)eq \\al(2－,4)
B．放电时，1 ml CO2转化为HCOOH，转移的电子数为2 ml
C．充电时，电池总反应为2Zn(OH)eq \\al(2－,4)===2Zn＋O2↑＋4OH－＋2H2O
D．充电时，正极溶液中OH－浓度升高
[思路点拨]
[答案] D
(1)放电时，电池总反应为 。
(2)放电时，消耗97.5 g Zn，理论上消除CO2的体积为 L(标准状况)。
[答案] (1)Zn＋CO2＋4H2O===Zn(OH)eq \\al(2－,4)＋HCOOH＋2H＋
(2)33.6
1．(2020·安徽示范性高中联考)某电池研究员使用锂­磺酰氯(Li­SO2Cl2)电池作为电源电解制备Ni(H2PO2)2，其工作原理如图1、图2所示。已知电池反应为2Li＋SO2Cl2===2LiCl＋SO2↑。下列说法错误的是( )
图1 图2
A．电池中C电极的电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑
B．电池的e极连接电解池的h极
C．膜a是阳离子交换膜，膜c是阴离子交换膜
D．电解池中不锈钢电极的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
C [由已知电池反应可知C电极为正极，发生还原反应，电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑，A项正确；由题目信息可知，镍应作电解池的阳极，与外接电源的正极相连，不锈钢作电解池的阴极，与外接电源的负极相连，故电池的e极连接电解池的h极，B项正确；Ⅱ室为产品室，故阳极上Ni失去电子生成的Ni2＋通过膜a进入产品室，Ⅲ室中的H2POeq \\al(－,2)通过膜b进入产品室与Ni2＋形成Ni(H2PO2)2，故膜a为阳离子交换膜，膜b为阴离子交换膜，膜c应为阳离子交换膜，以防Ⅳ室中的OH－通过膜c进入Ⅲ室与NaH2PO2反应消耗原料，同时Na＋通过膜c进入Ⅳ室可制备浓氢氧化钠溶液，C项错误；由题图2分析可知，不锈钢作电解池的阴极，其电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，D项正确。]
2．四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]常用作电子工业清洗剂，以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]为原料，采用电渗析法合成(CH3)4NOH，其工作原理如图所示(a、b为石墨电极，c、d、e为离子交换膜)，下列说法正确的是( )
A．M为正极
B．c、e均为阳离子交换膜
C．b极电极反应式：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
D．制备1 ml(CH3)4NOH，通过c膜的离子数目为2NA
B [该电解池中Cl－向电极b迁移，则b电极为阳极，a电极为阴极，M为电源的负极，A错误；根据图示，加入(CH3)4NCl溶液后，(CH3)4N＋通过c膜进入电极a附近生成(CH3)4NOH，则c膜为阳离子交换膜；Cl－通过d膜进入d膜右侧，e膜右侧的Na＋通过e膜进入e膜的左侧，这样NaCl在d、e两膜之间富集，将NaCl稀溶液转化为浓溶液，e膜为阳离子交换膜，B正确；电极b上溶液中的OH－放电，电极反应为4OH－－4e－===O2↑＋2H2O，C错误；制备1 ml(CH3)4NOH，a电极上生成了1 ml OH－，反应中转移了1 ml e－，通过c膜的(CH3)4N＋数目为NA，D错误。]
3．用次磷酸钠通过电渗析法制备次磷酸。装置如图所示。交换膜A属于 (填“阳离子”或“阴离子”)交换膜，电极N的电极反应式为 ，当电路中流过3.852 8×105库仑电量时，制得次磷酸的物质的量为 (一个电子的电量为 1.6×10－19库仑，NA数值约为6.02× 1023)。
[解析] 根据题图可知，产品室产生次磷酸，则电极M应为阳极电解水中的OH－，剩余H＋通过交换膜A移向产品室，所以交换膜A为阳离子交换膜；电极N为阴极电解H＋，电极N的电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；电路中流过3.852 8×105库仑电量时，转移的电子的物质的量为eq \f(3.852 8×105,1.6×10－19)×eq \f(1,NA)＝4 ml，次磷酸根带一个负电荷，氢离子带一个正电荷，所以电解过程中转移1 ml电子生成1 ml次磷酸，则转移4 ml电子时生成4 ml次磷酸。
[答案] 阳离子 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 4 ml
4．氢碘酸也可以用“电解法”制备，装置如图所示。其中双极膜(BPM)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－；A、B为离子交换膜。
(1)B膜最佳应选择 交换膜(填具体离子符号)。
(2)阳极的电极反应式是 。
(3)少量的I－因浓度差通过BPM膜，若撤去A膜，其缺点是
。
[答案] (1)Na＋ (2)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋
(3)I－会在阳极放电，沉积在阳极表面，损伤阳极板
[真题验收]
1．(2020·全国卷Ⅱ，T12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率，从而实现节能。如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AgxWO3，器件呈现蓝色，对于该变化过程，下列叙述错误的是( )
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＋xAg===AgxWO3
C [根据题图可知，该装置为电解池，由通电时Ag＋注入到无色WO3薄膜中，生成AgxWO3，可知Ag为该电解池的阳极，透明导电层为该电解池的阴极，结合题给信息可写出阳极和阴极的电极反应式分别为Ag－e－===Ag＋和xAg＋＋WO3＋xe－===AgxWO3。
根据上述分析可知Ag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；结合上述分析可知WO3在阴极发生还原反应，即W元素的化合价降低，C项错误；结合阳极和阴极的电极反应式可写出总反应为WO3＋xAg===AgxWO3，D项正确。]
2．(2020·江苏卷，T11)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。在如图所示的情境中，下列有关说法正确的是 ( )
A．阴极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋
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
C [该装置中阴极发生还原反应，A项错误；金属M被氧化，即金属活动性：M>Fe，B项错误；钢铁设施为原电池的正极，表面积累大量电子而被保护，C项正确；海水中含有大量的NaCl等电解质，而河水中电解质较少，故钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的慢，D项错误。]
[教师用书备选]
(2018·全国卷Ⅰ)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。示意图如图所示，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：
①EDTA­Fe2＋－e－===EDTA­Fe3＋
②2EDTA­Fe3＋＋H2S===2H＋＋S＋2EDTA­Fe2＋
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EDTA­Fe3＋/EDTA­Fe2＋，溶液需为酸性
C [根据装置图中物质的转化关系分析电极反应类型，如EDTA­Fe2＋生成EDTA­Fe3＋，发生了氧化反应，EDTA­Fe3＋将H2S氧化成S，本身被还原成EDTA­Fe2＋，EDTA­Fe3＋和EDTA­Fe2＋可循环使用，故石墨烯电极为阳极，阳极与光伏电池的正极连接。CO2发生还原反应生成CO，故ZnO@石墨烯电极为阴极。
阴极发生还原反应，氢离子由交换膜右侧向左侧迁移，阴极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O，A项正确；结合阳极区发生的反应，可知协同转化总反应为CO2＋H2S===S＋CO＋H2O，B项正确；石墨烯作阳极，其电势高于ZnO@石墨烯的，C项错误；Fe3＋、Fe2＋在碱性或中性介质中会生成沉淀，它们只稳定存在于酸性较强的介质中，D项正确。]
3．(2019·全国卷Ⅱ，节选)环戊二烯可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2，结构简式为]，后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示，其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为 ，总反应为 。电解制备需要在无水条件下进行，原因为
。
[解析] 由电解原理示意图可知，电解后铁变为＋2价，由此可判断铁作电解池的阳极，阳极的电极反应式为Fe－2e－===Fe2＋，阴极的电极反应式为2＋2e－===2＋H2↑，由此可得总方程式为Fe＋2===＋H2↑。电解时如果有水，水会与钠反应，阻碍的生成，而且电解时会产生OH－，OH－会与Fe2＋反应生成Fe(OH)2沉淀。
[答案] Fe电极 Fe＋2===＋H2↑ [Fe＋2C5H6===Fe(C5H5)2＋H2↑] 水会阻碍中间物的生成；水会电解生成OH－，进一步与Fe2＋反应生成Fe(OH)2沉淀
[新题预测]
1．科学家利用CH4燃料电池作为电源，用Cu­Si合金作硅源电解制硅可以降低制硅成本，高温利用三层液熔盐进行电解精炼，下列说法不正确的是( )
图1
图2
A．电极d与b相连，c与a相连
B．电解槽中，Si优先于Cu被氧化
C．a极的电极反应为CH4－8e－＋8OH－===CO2＋6H2O
D．相同时间下，通入CH4、O2的体积不同，会影响硅的提纯速率
C [图1是甲烷燃料电池，通入甲烷的电极为负极，通入氧气的电极为正极，图2中d电极为阳极，与电源正极b相连，c电极为阴极，与电源负极a相连，故A正确；d电极为阳极硅失电子被氧化，而铜没有，所以Si优先于Cu被氧化，故B正确；通入甲烷的a电极为负极，发生氧化反应，电极反应为CH4－8e－＋4O2－===CO2＋2H2O，故C错误；相同时间下，通入CH4、O2的体积不同，电流强度不同，会导致转移电子的量不同，会影响硅的提纯速率，故D正确。]
2．(1)用电解法也可实现CO2加氢制甲醇(稀硫酸作电解质溶液)。电解时，往电解池的 极通入氢气，阴极上的电极反应为 。
(2)某混合物浆液含Al(OH)3、MnO2和少量Na2CrO4。考虑到胶体的吸附作用使Na2CrO4不易完全被水浸出，某研究小组利用设计的电解分离装置(如图所示)，使浆液分离成固体混合物和含铬元素溶液，并回收利用。
用惰性电极电解时，CrOeq \\al(2－,4)能从浆液中分离出来的原因是 ；
分离后含铬元素的粒子是 ；阴极室生成的物质为 (写化学式)。
[解析] (2)用惰性电极电解时，在直流电场作用下，CrOeq \\al(2－,4)通过阴离子交换膜向阳极室移动，脱离浆液，从而使CrOeq \\al(2－,4)从浆液中分离出来；因2CrOeq \\al(2－,4)＋2H＋Cr2Oeq \\al(2－,7)＋H2O，所以分离后含铬元素的粒子是CrOeq \\al(2－,4)和Cr2Oeq \\al(2－,7)；阴极室H＋放电生成H2，剩余的OH－与透过阳离子交换膜移过来的Na＋结合生成NaOH，所以阴极室生成的物质为NaOH和H2。
[答案] (1)阳 CO2＋6e－＋6H＋===CH3OH＋H2O
(2)在直流电场作用下，CrOeq \\al(2－,4)通过阴离子交换膜向阳极室移动，脱离浆液从而分离出来 CrOeq \\al(2－,4)和Cr2Oeq \\al(2－,7) NaOH和H2
考纲定位
要点网络
1.了解电解池的构成、工作原理及应用，能书写电极反应式和总反应方程式。
2.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝；b处变红，局部褪色；c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生；钢珠右侧n处有气泡产生；……
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟具有腐蚀性的化学物质接触
不纯金属或合金跟电解质溶液接触
现象
无电流产生
有电流产生
本质
金属被氧化
较活泼金属被氧化
联系
两者往往同时发生，电化学腐蚀更普遍
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强(pH≤4.3)，如NH4Cl溶液
水膜酸性很弱或呈中性，如NaCl溶液
电极材料及反应
负极
Fe：Fe－2e－===Fe2＋
正极
C：2H＋＋2e－===H2↑
C：O2＋2H2O＋4e－===4OH－
总反应式
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
操作
现象
取一块打磨过的生铁片，在其表面滴一滴含酚酞和K3[Fe(CN)6]的食盐水
放置一段时间后，生铁片上出现如图所示“斑痕”，其边缘为红色，中心区域为蓝色，在两色环交界处出现铁锈
①
②
③
在Fe表面生成蓝色沉淀
试管内无明显变化
试管内生成蓝色沉淀