第十单元 电化学基础（4）

2015-11-25 09:36:51   来源：   撰稿：董啸   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

第十单元    电化学基础（4）

基础知识精析

三、金属的腐蚀与防护

1、金属腐蚀的分类

①化学腐蚀：直接由化学反应引起的腐蚀

②电化腐蚀：由于原电池反应引起的腐蚀，包括析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种。

a. 析氢腐蚀：酸性条件

负极：Fe-2e^-=Fe²⁺       正极：2H⁺+2e^-=H₂

总反应：Fe+2H⁺=Fe²⁺ H₂

b. 吸氧腐蚀：中性或碱性条件

  负极：Fe-2e^-=Fe²⁺       正极：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

总反应：Fe+O₂+2H₂O=Fe(OH)₂

电解引起的腐蚀>原电池引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护腐蚀措施的腐蚀。

2、金属的防护

金属的防护的基本思路是防止金属形成原电池，发生原电池反应。

（1）阻断原电池法

由于钢铁腐蚀主要是形成原电池而被腐蚀的，所以也可以让它不形成原电池，从而得到保护。

①覆盖保护膜法：

在钢铁表面覆盖一层保护膜（涂油漆，电镀，钝化等），从而阻断它和外界环境的接触，这样就会因为没有电解质溶液，而不能形成原电池。

②改变金属的内部结构法：

在钢铁中加入一定量的镍和铬，由于镍和铬在空气中容易氧化生成致密的保护膜，从而阻止内部金属与外界接触。从而把普通钢变成不锈钢。这个原理和镁铝自身防腐的原理相似。

（2）牺牲阳极的阴极保护法：

利用原电池原理，在被保护的钢铁金属设备上，装上若干锌块。由于锌比铁活泼，当它们在潮湿或有水的环境中形成原电池时，腐蚀（牺牲）的是镁或锌（阳极），而阴极的铁得到保护，所以，这种防腐方法称为牺牲阳极的阴极保护法。这种防腐方法要定期更换锌块，可以保证钢铁金属设备不被腐蚀。

（3）外加电源的阴极保护法：

利用电解原理，在被保护的钢铁金属设备上连接直流电源，把被保护的钢铁金属设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极。装上若干镁合金或锌块。当钢铁设备接触电解质溶液（海水）时，接通电源，电子强制流向被保护的钢铁设备（阴极），使其无法失去电子，而得到保护，所以这种防腐方法称为外加电源的阴极保护法。

深度思考

1．下列有关金属腐蚀的叙述正确的是   (　　)

A．金属越纯越不易被腐蚀

B．干燥环境下金属不被腐蚀

C．铜一定比铁难腐蚀

D．金属腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀

答案　D

解析　A项，金属能不能被腐蚀主要取决于它的活泼性，而不是它的纯度，如纯钾易被腐蚀，不正确；B项，干燥环境下，如果遇到氯气，金属也可以发生化学腐蚀，故不正确；C项，如果遇到浓硝酸，铜比铁易腐蚀，不正确。

2．下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是 (　　)

答案　B

解析　如果镀层金属比被保护的金属活泼，破损后可构成原电池，仍然能在一定程度上保护金属，B错误。

考纲要求

（1）理解原电池原理。初步了解化学电源。了解化学腐蚀与电化学腐蚀及一般防腐蚀方法。

　　（2）理解电解原理。了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。

（3）原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写。

（4）原电池和电解池的简单计算。

【探究高考】

1．(2012·山东理综，13)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是 (　　)

A．图a中，插入海水中的铁棒，越靠近底端腐蚀越严重

B．图b中，开关由M改置于N时，Cu­Zn合金的腐蚀速率减小

C．图c中，接通开关时Zn腐蚀速率增大，Zn上放出气体的速率也增大

D．图d中，Zn­MnO₂干电池自放电腐蚀主要是由MnO₂的氧化作用引起的

答案　B

解析　A项，插入海水中的铁棒靠近液面的位置与氧气接触，易发生吸氧腐蚀；B项，开关由M改置于N时，Zn作负极，Cu­Zn合金作正极，合金受到保护；C项，接通开关形成原电池，Zn作负极，Zn的腐蚀速率增大，但气体是在Pt电极上生成；D项，Zn­MnO₂干电池自放电腐蚀主要是Zn发生氧化反应而自放电。

2．(2012·海南，10)下列叙述错误的是             (　　)

A．生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱

B．用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈

C．在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液

D．铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀

答案　C

解析　选项A，生铁中的碳和铁可以在铁的表面构成无数微小的原电池，能加速铁的锈蚀；选项B，焊接处铁、锡形成无数微小原电池，加速铁的腐蚀；选项C，电镀时，镀层金属铜作阳极，铁制品作阴极，用铜盐溶液作电镀液；选项D，由于Zn比Fe活泼，故镶嵌锌块的铁管不易被腐蚀。

3．(2012·上海，14)右图装置中发生反应的离子方程式为Zn＋2H^＋―→Zn^2＋＋H₂↑，下列说法错误的是       (　　)

A．a、b不可能是同种材料的电极

B．该装置可能是电解池，电解质溶液为稀盐酸

C．该装置可能是原电池，电解质溶液为稀盐酸

D．该装置可看作是铜－锌原电池，电解质溶液是稀硫酸

答案　A

解析　若该装置为电解池，则a、b两电极的材料可以都为Zn，选项A错误；在保证阳极为Zn时，该电解池的电解质溶液可以为稀盐酸，选项B正确；在保证其中一电极的材料为Zn，另一电极的材料的活动性比Zn弱的情况下，该原电池的电解质溶液为稀盐酸或稀硫酸都可以，选项C、D正确。

4．(2012·浙江理综，10)以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如下：

下列说法不正确的是 (　　)

A．在阴极室，发生的电极反应为2H₂O＋2e^－===2OH^－＋H₂↑

B．在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为阳极区H^＋浓度增大，使平衡2CrO＋2H^＋=Cr₂O＋H₂O向右移动

C．该制备过程中总反应的化学方程式为4K₂CrO₄＋4H₂O2K₂Cr₂O₇＋4KOH＋2H₂↑＋O₂↑

D．测定阳极液中K和Cr的含量，若K与Cr的物质的量之比(n_K/n_Cr)为d，则此时铬酸钾的转化率为1－

答案　D

解析　本题应结合电解的原理来具体分析、解决问题。

根据阴、阳离子的放电顺序可知，该电解池中的反应如下：

阴极：4H₂O＋4e^－===2H₂↑＋4OH^－、阳极：2H₂O－4e^－===O₂↑＋4H^＋，阳极区K₂CrO₄溶液中存在平衡：2CrO＋2H^＋=Cr₂O＋H₂O，H^＋浓度增大，使该平衡右移生成Cr₂O。故电解池中的总反应式可写成4K₂CrO₄＋4H₂O2K₂Cr₂O₇＋4KOH＋2H₂↑＋O₂↑。故A、B、C项均正确。

D项，设K₂CrO₄转化为K₂Cr₂O₇的转化率为α，则：

　　　　　  2K₂CrO₄～K₂Cr₂O₇

初始量  2                  0

转化量  2α         α

最终量  2－2α          α

则有＝＝d

解得α＝2－d，D项错误。

5．(2012·安徽理综，11)某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时，先断开K₂，闭合K₁，两极均有气泡产生；一段时间后，断开K₁，闭合K₂，发现电流表A指针偏转。

下列有关描述正确的是 (　　)

A．断开K₂，闭合K₁时，总反应的离子方程式为

2H^＋＋2Cl^－Cl₂↑＋H₂↑

B．断开K₂，闭合K₁时，石墨电极附近溶液变红

C．断开K₁，闭合K₂时，铜电极上的电极反应式为Cl₂＋2e^－===2Cl^－

D．断开K₁，闭合K₂时，石墨电极作正极

答案　D

解析　解答本题时应特别注意，金属Cu在电解池和原电池中作何种电极。当断开K₂，闭合K₁时为电解池，由于两极都有气泡冒出，故相当于惰性电极电解饱和食盐水，故铜作阴极而石墨作阳极，阳极反应为2Cl^－－2e^－===Cl₂↑，电池总反应的离子方程式为2Cl^－＋2H₂OH₂↑＋Cl₂↑＋2OH^－，A、B都错；当断开K₁，闭合K₂时组成原电池，铜作负极而石墨作正极，铜电极的电极反应式为Cu－2e^－===Cu^2＋，故C错而D正确。

6．[2012·重庆理综，29(3)]人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素，原理如下图。

①电源的负极为________(填“A”或“B”)。

②阳极室中发生的反应依次为____________、__________。

③电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将________；若两极共收集到气体13.44 L(标准状况)，则除去的尿素为________g(忽略气体的溶解)。

答案　①B　②2Cl^－－2e^－===Cl₂↑　CO(NH₂)₂＋3Cl₂＋H₂O===N₂＋CO₂＋6HCl    ③不变　7.2

解析　①由图中产生Cl₂极为阳极知A为正极，B为负极。

②阳极室发生反应2Cl^－－2e^－===Cl₂↑。

由产物CO₂、N₂知CO(NH₂)₂在此室反应被氧化，CO(NH₂)₂―→CO₂＋N₂，发生还原反应的为Cl₂。故方程式为CO(NH₂)₂＋3Cl₂＋H₂O===N₂＋CO₂＋6HCl。

③阴极室2H^＋＋2e^－===H₂↑。阳极室产生的H^＋通过质子交换膜进入阴极室，从而使阴极室H^＋浓度保持不变。pH与电解前相比不变。

两极共收集到的气体n(气体)＝＝0.6 mol

 m[CO(NH₂)₂]＝＝7.2 g

7．[2012·新课标全国卷，36(3)]粗铜的电解精炼如右图所示。在粗铜的电解过程中，粗铜板应是图中电极________(填图中的字母)；在电极d上发生的电极反应式为__________；若粗铜中还含有Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形式和位置为_________。

答案　c　Cu^2＋＋2e^－===Cu　Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方，Fe以Fe^2＋的形式进入电解液

解析　电解精炼时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，CuSO₄溶液作电解液，比铜活泼的金属失电子生成离子进入溶液，不如铜活泼的金属形成阳极泥沉积下来。

8．[2011·四川理综，26(5)]按右图电解NaCl的饱和溶液，写出该电解池中发生反应的总反应方程式：________。将充分电解后所得溶液逐滴加入到酚酞试液中，观察到的现象是________。

答案　NaCl＋H₂ONaClO＋H₂↑　酚酞试液先变红后褪色

解析　由于阳极是惰性电极，则电解饱和氯化钠溶液的方程式为2NaCl＋2H₂O2NaOH＋H₂↑＋Cl₂↑，生成的Cl₂与NaOH溶液发生反应：Cl₂＋2NaOH===NaCl＋NaClO＋H₂O，故总反应方程式为NaCl＋H₂ONaClO＋H₂↑，酚酞试液遇NaOH显红色后被HClO氧化褪色。

9．(2012·海南，16)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH₄和O₂ ，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。

    回答下列问题：

(1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为_______________。

(2)闭合K开关后，a、b电极上均有气体产生，其中b电极上得到的是__________，电解氯化钠溶液的总反应方程式为___________；

(3)若每个电池甲烷通入量为1 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解池的电量为_______(法拉第常数F＝9.65×10⁴ C · mol^－1列式计算)，最多能产生的氯气体积为________L(标准状况)。

答案　(1)O₂＋2H₂O＋4e^－===4OH^－   CH₄＋10OH^－－8e^－=CO＋7H₂O

(2)H₂　2NaCl＋2H₂O2NaOH＋H₂↑＋Cl₂↑

(3)×8×9.65×10⁴ C·mol^－1＝3.45×10⁴ C　4

解析　(1)甲烷燃料电池中正极为O₂被还原，负极为CH₄被氧化，在碱性条件下生成CO，其电极反应分别为O₂＋2H₂O＋4e^－=4OH^－、CH₄＋10OH^－－8e^－=CO＋7H₂O。

(2)闭合K后构成闭合回路，此时a、b分别为电解池的阳极和阴极，阴极为H^＋得电子被还原，同时得到H₂和NaOH，阳极为Cl^－被氧化得到Cl₂，该电解池中的总反应为2NaCl＋2H₂O2NaOH＋H₂↑＋Cl₂↑。

(3)每个电池通入1 L CH₄，电路中通过的电量为×8×9.65×10⁴ C·mol^－1＝3.45×10⁴ C。

〖教后记〗

 

 

 

 

 

 

 

 

 

题组一　对金属腐蚀快慢的考查

1．如图所示，各烧杯中盛有海水，铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为(　　)

 

A．②①③④⑤⑥                       B．⑤④③①②⑥

C．⑤④②①③⑥                 D．⑤③②④①⑥

答案　C

解析　①是Fe为负极，杂质碳为正极的原电池腐蚀，是铁的吸氧腐蚀，腐蚀较慢。其电极反应式：负极Fe－2e^－===Fe^2＋，正极2H₂O＋O₂＋4e^－===4OH^－。②③④均为原电池，③中Fe为正极，被保护；②④中Fe为负极，均被腐蚀，但Fe和Cu的金属活泼性差别大于Fe和Sn的，故Fe­Cu原电池中Fe被腐蚀的较快。⑤是Fe接电源正极作阳极，Cu接电源负极作阴极的电解腐蚀，加快了Fe的腐蚀。⑥是Fe接电源负极作阴极，Cu接电源正极作阳极的电解腐蚀，防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。

2．相同材质的铁在下图中各情形下最不易被腐蚀的是    (　　)

答案　C

解析　A中，食醋作电解质溶液，铁勺和铜盆是相互接触的两个金属极，形成原电池，铁是活泼金属作负极；B中，食盐水作电解质溶液，铁炒锅和铁铲都是铁碳合金，符合原电池形成的条件，铁是活泼金属作负极，碳作正极；C中，铜镀层将铁球覆盖，使铁被保护，所以铁不易被腐蚀；D中，酸雨作电解质溶液，铁铆钉和铜板分别作负极、正极，形成原电池。

 

题组二　对析氢腐蚀和吸氧腐蚀的考查

3．按如图所示装置，进行铁钉被腐蚀的实验，一周后观察(设水不蒸发)。

(1)若试管中液面上升，发生的是__________腐蚀，则正极反应式为________________，负极反应式为__________________。要顺利完成此实验，所用的电解质溶液可以是________。

(2)若试管中液面下降，发生的是__________腐蚀，正极反应式为_______________，负极反应式为__________________。

要顺利完成此实验，所用的电解质溶液可以是___________。

答案　(1)吸氧　2H₂O＋O₂＋4e^－===4OH^－　Fe－2e^－===Fe^2＋　氯化钠溶液 (2)析氢　2H^＋＋2e^－===H₂↑　Fe－2e^－===Fe^2＋　稀硫酸

解析　(1)试管中的液面上升，表明内部压强减小，即发生吸氧腐蚀，故正极反应式为2H₂O＋O₂＋4e^－===4OH^－，负极反应式为Fe－2e^－===Fe^2＋；吸氧腐蚀的电解质溶液是中性或碱性溶液，如氯化钠溶液。(2)试管中的液面下降，表明发生了析氢腐蚀，则正极反应式为2H^＋＋2e^－===H₂↑，负极反应式为Fe－2e^－===Fe^2＋；此时需要酸性电解质溶液，如稀硫酸等。

4．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有pH＝4久置的雨水和生铁片。实验时观察到：开始时导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升，略高于小试管内液面。下列说法正确的是(　　)

A．生铁片中的碳是原电池的阳极，发生还原反应

B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀

C．墨水回升时，碳电极反应式为O₂＋2H₂O＋4e^－===4OH^－

D．具支试管中溶液pH逐渐减小

答案　C

解析　生铁片中的碳是原电池的正极，A错；雨水酸性较强，开始时铁片发生化学腐蚀和析氢腐蚀，产生氢气，导管内液面下降，一段时间后铁片发生吸氧腐蚀，吸收氧气，导管内液面回升，B错；墨水回升时，铁片发生吸氧腐蚀，碳极为正极，电极反应为O₂＋2H₂O＋4e^－===4OH^－，C对；铁片无论是发生析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，具支试管内溶液pH均增大，D错。