電解池和金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)

1、電解池和金屬的電化學(xué)腐蝕與防護(hù)主講：程為民一周強(qiáng)化一、一周知識概述1、電解的概念使電流通過電解質(zhì)溶液而在陰、陽兩極引起氧化還原反應(yīng)的過程叫做電解。注意：電流必須是直流而不是交流。熔融態(tài)的電解質(zhì)也能被電解。思考題：在電解反應(yīng)中，化學(xué)能與電能之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系是什么？答案：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。2、電解池的概念借助于電流引起氧化還原反應(yīng)的裝置，也就是把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的裝置叫做電解池或電解槽。3、構(gòu)成電解池的條件（1）直流電源。（2）兩個電極。其中與電源的正極相連的電極叫做陽極，與電源的負(fù)極相連的電極叫做陰極。（3）電解質(zhì)溶液或熔融態(tài)電解質(zhì)。4、電解質(zhì)導(dǎo)電的實質(zhì)對電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)電解質(zhì)）通電時，電子從

2、電源的負(fù)極沿導(dǎo)線流入電解池的陰極，電解質(zhì)的陽離子移向陰極得電子發(fā)生還原反應(yīng)；電解質(zhì)的陰離子移向陽極失去電子（有的是組成陽極的金屬原子失去電子）發(fā)生氧化反應(yīng)，電子從電解池的陽極流出，并沿導(dǎo)線流回電源的正極。這樣，電流就依靠電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)電解質(zhì)）里陰、陽離子的定向移動而通過溶液（或熔融態(tài)電解質(zhì)），所以電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)電解質(zhì)）的導(dǎo)電過程，就是電解質(zhì)溶液（或熔融態(tài)電解質(zhì)）的電解過程。5、電解原理6、電解原理的應(yīng)用。7、金屬的腐蝕8、金屬的防護(hù)方法 二、重難點知識解析（一）電解原理1、電解氯化銅（1）實驗步驟第一步：如圖甲所示，把兩根石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液內(nèi)，觀察現(xiàn)象。第二步：如圖

3、乙所示，把用導(dǎo)線連接在一起的兩根石墨插入U形管里的CuCl2溶液內(nèi)，觀察現(xiàn)象。第三步：如圖丙所示，將兩根石墨棒、一只電流表和低壓直流電源串聯(lián)起來，將石墨棒插入U形管里的CuCl2溶液內(nèi)，接通電源。把濕潤的碘化鉀淀粉試紙放在與電源正極相連的電極附近。觀察現(xiàn)象，約5min后切斷電源。（2）實驗現(xiàn)象在第一步和第二步中均無新現(xiàn)象發(fā)生。在第三步實驗中，電流表的指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)；陰極石墨棒周圍CuCl2溶液綠色變深，陽極石墨棒周圍CuCl2溶液綠色變淺；陰極石墨棒上逐漸覆蓋了一層紅色固本，陽極石墨棒上有氣泡放出，并可聞到刺激性的氣味，同時看到濕潤的碘化鉀淀粉試紙變?yōu)樗{(lán)色。（3）實驗結(jié)論在通直流電的條件下，溶液

4、里的CuCl2發(fā)生了分解反應(yīng)：CuCl2CuCl2Cu生成于陰極的石墨棒上，Cl2生成于陽極的石墨棒上。（4）原理分析CuCl2是強(qiáng)電解質(zhì)且易溶于水，在水溶液中電離生成Cu2和Cl。CuCl2Cu22Cl通電前，Cu2和Cl在水里自由地移動著；通電后，這些自由移動著的離子，在電場作用下，改作定向移動。溶液中帶正電的Cu2向陰極移動，帶負(fù)電的氯離子向陽極移動。在陰極，銅離子獲得電子而還原成銅原子覆蓋在陰極上；在陽極，氯離子失去電子而被氧化成氯原子，并兩兩結(jié)合成氯分子，從陽極放出。陰極：Cu22eCu陽極：Cl2e Cl2電解CuCl2溶液的化學(xué)反應(yīng)方程式：CuCl2CuCl2（5）電解質(zhì)水溶液電

5、解反應(yīng)的綜合分析在上面敘述氯化銅電解的過程中，沒有提到溶液里的H和OH，其實H和OH雖少，但的確是存在的，只是他們沒有參加電極反應(yīng)。也就是說在氯化銅溶液中，除Cu2和Cl外，還有H和OH，電解時，移向陰極的離子有Cu2和H，因為在這樣的實驗條件下Cu2比H+容易得到電子，所以Cu2在陰極上得到電子析出金屬銅。移向陽極的離子有OH和Cl，因為在這樣的實驗條件下，Cl和OH容易失去電子，所以Cl在陽極上失去電子，生成氯氣。說明：陽離子得到電子或陰離子失去電子而使離子所帶電荷數(shù)目降低的過程又叫做放電。用石墨、金、鉑等還原性很弱的材料制做的電極叫做惰性電極，理由是它們在一般的通電條件下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

6、用鐵、鋅、銅、銀等還原性較強(qiáng)的材料制做的電極又叫做活性電極，它們做電解池的陽極時，先于其他物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。在一般的電解條件下，水溶液中含有多種陽離子時，它們在陰極上放電的先后順序是：AgHg2Fe3Cu2(H)Fe2Zn2；水溶液中含有多種陰離子時，它們的惰性陽極上放電的先后順序是：S2IBrCl(F、NO3、SO42等)（6）以惰性電極電解電解質(zhì)水溶液，分析電解反應(yīng)的一般方法步驟為：分析電解質(zhì)水溶液的組成，找全離子并分為陰、陽兩組；分別對陰、陽離子排出放電順序，寫出兩極上的電極反應(yīng)式；合并兩個電極反應(yīng)式得出電解反應(yīng)的總化學(xué)方程式或離子方程式。（二）電解原理的應(yīng)用1、銅的電解精煉（1）電解法

7、精煉銅的裝置（2）電解法精煉銅的化學(xué)原理陽極（粗銅）：Cu2eCu2陰極（純銅）：Cu22eCu說明：以銅為材料做的電極屬于活性電極。在一般的電解條件下，活性陽極先于電解質(zhì)溶液中的成分發(fā)生氧化反應(yīng)。粗銅中往往含有鋅、鐵、鎳、銀、金等多種雜質(zhì)，當(dāng)含雜質(zhì)的銅在陽極不斷溶解時，位于金屬活動性順序銅以前的金屬雜質(zhì)如Zn、Fe、Ni等，也會同時失去電子，如：Zn2eZn2Ni2eNi2但是它們的陽離子比銅離子難以還原，所以它們并不在陰極獲得電子析出，而只是留在電解液里。而位于金屬活動性順序銅之后的銀、金等雜質(zhì)，因為給出電子的能量比銅弱，難以在陽極失去電子變成陽離子溶解下來，當(dāng)陽極上的銅失去電子變成離子溶

8、解之后，它們以金屬單質(zhì)的形式沉積在電解槽底，形成陽極泥（陽極泥可作為提煉金、銀等貴重金屬的原料）用電解精煉法所得到的銅叫做電解銅，它的純度可達(dá)到99.95%99.98%。2、電鍍（1）電鍍的涵義電鍍是應(yīng)用電解原理在某些金屬表面鍍上一薄層其他金屬或合金的過程。（2）電鍍的目的電鍍的目的主要是使金屬增強(qiáng)抗腐蝕能力、增加美觀和表面硬度。（3）電鍍的原理電鍍的原理與電解精煉銅的原理是一致的。電鍍時，一般都是用含有鍍層金屬離子的電解質(zhì)配成電鍍液；把待鍍金屬制品浸入電鍍液中與直流電源的負(fù)極相連，作為陰極；用鍍層金屬作為陽極，與直流電源正極相連。通入低壓直流電，陽極金屬溶解在溶液中成為陽離子，移向陰極，這些

9、離子在陰極獲得電子被還原成金屬，覆蓋在需要電鍍的金屬制品上。3、鋁的冶煉4、氯堿工業(yè)（1）電解飽和食鹽水反應(yīng)原理實驗步驟按圖裝置，在U形管里倒入飽和食鹽水，插入一根石墨棒作陽極，一根鐵棒作陰極。同時在兩邊管中各滴入幾滴酚酞試液，并用濕潤的碘化鉀淀粉試紙檢驗陽極放出的氣體。接通直流電源后，注意管內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象陽極上有氣泡逸出，氣體呈黃綠色，有刺激性氣味，使?jié)駶櫟牡饣浀矸墼嚰堊優(yōu)樗{(lán)色，陽極區(qū)溶液由無色變?yōu)辄S綠色。陰極上有氣泡逸出，氣體無色、無味。陰極區(qū)溶液由無色變?yōu)闇\紅色，紅色逐漸加深、區(qū)域逐漸擴(kuò)大。實驗結(jié)論用惰性材料作陽極，電解食鹽的飽和溶液，生成Cl2、H2和NaOH。陽極：2Cl2

10、eCl2（放電順序：Cl>OH）陰極：2H2eH2（放電順序：H>Na）在上述反應(yīng)中，由于H在陰極上得到電子而生成H2，破壞了附近的水的電離平衡，促進(jìn)了水繼續(xù)電離，結(jié)果陰極區(qū)溶液里OH的濃度增大而呈現(xiàn)堿性。（2）離子交換膜法制燒堿離子交換膜電解槽的組成由陽極（金屬鈦網(wǎng)）、陰極（碳鋼網(wǎng)）、離子交換膜、電解槽框和導(dǎo)電銅棒等組成，每臺電解槽由若干個單元槽串聯(lián)或并聯(lián)組成。下圖表示一個單元槽的示意圖。陽離子交換膜的作用將電解槽隔成陰極室和陽極室，它只允許陽離子（Na）通過，而阻止陰離子（Cl、OH）和氣體通過。這樣既能防止陰極產(chǎn)生的H2和陽極產(chǎn)生的Cl2相混合而引起爆炸，又能避免Cl2和Na

11、OH作用生成NaClO而影響燒堿的質(zhì)量。（3）離子交換膜法電解制燒堿的主要生產(chǎn)流程離子交換膜法電解制堿的主要生產(chǎn)流程（4）食鹽的精制粗鹽的成分:粗鹽中的主要成分是NaCl,此外還含有泥沙、Ca2、Mg2、Fe3、SO42雜質(zhì)。這樣的粗鹽不符合電解要求，因此必須經(jīng)過精制。雜質(zhì)的危害：Ca2、Mg2、Fe3等金屬離子在堿性環(huán)境中會生成沉淀，損壞離子交換膜；此外，雜質(zhì)的存在會使得到的產(chǎn)品不純。除雜質(zhì)的過程：注意：除雜質(zhì)時所加試劑的順序要求是：a、Na2CO3必須在BaCl2之后；b、加入鹽酸在過濾之后。試劑加入順序有多種選擇，如：a、BaCl2、NaOH、Na2CO3、過濾、HCl；b、BaCl2、

12、Na2CO3、NaOH、過濾、HCl；c、NaOH、BaCl2、Na2CO3、過濾、HCl。（5）、以氯堿工業(yè)為基礎(chǔ)的化工生產(chǎn)及產(chǎn)品的主要用途（三）金屬的腐蝕金屬的腐蝕是指金屬或合金跟周圍接觸到的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而腐蝕損耗的過程。1、實質(zhì) 金屬原子（M）失去電子而被氧化的過程，即 M ne Mn。2、類型 有電化腐蝕和化學(xué)腐蝕兩種。（1） 電化腐蝕：不純的金屬 ( 或合金 ) 接觸到電解質(zhì)溶液發(fā)生原電池反應(yīng)，相對較活潑的金屬原子失去電子而被氧化所引起的腐蝕。 （2） 化學(xué)腐蝕：金屬跟接觸到的物質(zhì) ( 一般為非電解質(zhì) ) 直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的一種腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕電化腐蝕條件金屬與電解質(zhì)

13、等直接接觸不純金屬或合金與電解質(zhì)溶液接觸現(xiàn)象無電流產(chǎn)生有微弱電流發(fā)生本質(zhì)金屬被氧化的過程較活潑金屬被氧化的過程相互 關(guān)系化學(xué)腐蝕與電化腐蝕往往同時發(fā)生 , 但電化腐蝕更普遍，危害嚴(yán)重 3 、電化腐蝕的類型 通常有析氫腐蝕和吸氧腐蝕兩種情況。這兩種腐蝕的差異主要體現(xiàn)在正極反應(yīng)上。鋼鐵的析氫腐蝕與吸氧腐蝕的比較見下表析氫腐蝕吸氧腐蝕條件水膜酸性較強(qiáng)水膜酸性很弱或呈中性正極反應(yīng)2H 2e H2O2 2H2O 4e 4OH負(fù)極反應(yīng)Fe 2e Fe2金屬的電化學(xué)腐蝕中最主要的是鋼鐵的腐蝕。鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕的主要化學(xué)反應(yīng)原理是：如圖，在潮濕的空氣里，鋼鐵表面吸附了一層薄薄的水膜，這層水膜里含有少量 H和

14、 OH，還溶解了O2等氣體，結(jié)果在鋼鐵表面形成了一層電解質(zhì)溶液，它跟鋼鐵里的鐵和少量的碳恰好 形成無數(shù)微小的原電池 。在這些原電池里，鐵是負(fù)極，碳是正極。鐵失去電子而被氧化。負(fù)極： 2Fe4e 2Fe2正極： 2H2O O2 4e 4OH電化學(xué)腐蝕是造成鋼鐵腐蝕的 主要原因 。說明 ：影響金屬腐蝕的因素包括金屬的本性和介質(zhì)兩個方面。就金屬本性來說，金屬越活潑，就越容易失去電子而被腐蝕。介質(zhì)對金屬腐蝕的影響也很大，如果金屬在潮濕的空氣中，接觸腐蝕性氣體或電解質(zhì)溶液，都容易被腐蝕。由于鋼鐵制品通常所處的外部環(huán)境干燥度較低，氧氣的存在又非常廣泛，在相同條件下，原電池反應(yīng)比一般的氧化還原反應(yīng)速率高，因

15、此，在鋼鐵的腐蝕類型中主要是電化學(xué)腐蝕，其次是化學(xué)腐蝕。但是，鋼鐵的腐蝕類型并不單一，一般是電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕并存，只是有主次之分而已。無論哪種類型的金屬腐蝕，其本質(zhì)都是金屬被氧化。4、金屬的防護(hù)方法 （1）改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如在鐵中添加一些其它元素形成不銹鋼，如鎳鉻不銹鋼。（2）覆蓋保護(hù)層 （3）使用電化學(xué)保護(hù)法 外加電流的保護(hù)法將被保護(hù)的金屬與外加直流電源負(fù)極相連，能導(dǎo)電的惰性材料（如石墨）與電源正極相連，通電后，被保護(hù)的金屬上積累電子而防止其被氧化而腐蝕。 外接活潑電極的保護(hù)法在被保護(hù)的金屬上連接一種更活潑的金屬，當(dāng)發(fā)生電化腐蝕時，首先銹蝕的是負(fù)極（活潑金屬一極），這樣就保護(hù)了另一極

16、的金屬不腐蝕。此外，還有其它保護(hù)方法，這里不再介紹。四、典型例題例1、（2007年上海卷 ）某學(xué)生設(shè)計了一個“黑筆寫紅字”的趣味實驗。濾紙先用氯化鈉、無色酚酞的混合液浸濕，然后平鋪在一塊鉑片上，接通電源后，用鉛筆在濾紙上寫字，會出現(xiàn)紅色字跡。據(jù)此，下列敘述正確的是（）A鉛筆端作陽極，發(fā)生還原反應(yīng)B鉑片端作陰極，發(fā)生氧化反應(yīng)C鉛筆端有少量的氯氣產(chǎn)生Da點是負(fù)極，b點是正極解析：本題考查的是電解飽和食鹽水實驗，電解實驗中陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氯氣，陰極發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，由電極反應(yīng)式可知，在陰極生成氫氧化鈉，出現(xiàn)紅色字跡，所以鉛筆做陰極，a為電源負(fù)極。答案：D例2、（2007年全國卷）以惰性電極電解 CuSO4 溶液。若陽極上產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量