第三单元 金属的腐蚀与防护课程导入及其完整教案

专题七 电化学

考点一

原电池原理的全面突破

1．通常只有能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池。

2．工作原理

以锌铜原电池为例：

电极名称

电极材料

电极反应

反应类型

电子流向

盐桥中

离子移向

盐桥

的作用

说明

（1）无论是装置Ⅰ还是装置Ⅱ，电子均不能通过电解质溶液。

（2）在装置Ⅰ中，由于不可避免会直接发生Zn＋Cu2===Cu＋Zn2而使化学能转化为热能，所以装置Ⅱ的＋＋负极

锌片

Zn－2e===Zn2

－＋＋正极

铜片

Cu2＋2e===Cu －氧化反应

还原反应

由Zn沿导线流向Cu 盐桥含饱和KCl溶液，K移向正极，Cl移向负极

（1）平衡电荷；

（2）避免断路时发生化学腐蚀(隔离作用) ＋－能量转化率高。

【例1】控制适合的条件，将反应2Fe3＋2I＋－2＋＋I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是(

)

A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应

B．反应开始时，甲中石墨电极上Fe3被还原

＋

1

C．电流表读数为零时，反应达到化学平衡状态

D．电流表读数为零后，在甲中溶入FeCl2固体，乙中的石墨电极为负极

【答案】D 【解析】由图示结合原电池原理分析可知，Fe3得电子生成Fe2被还原，I失去电子生成I2被氧化，所以A、＋＋－B正确；电流表读数为零时Fe3得电子速率等于Fe2失电子速率，反应达到平衡状态；D项在甲中溶＋＋入FeCl2固体，平衡2Fe3＋2I＋－2＋＋I2向左移动，I2被还原为I，乙中石墨为正极，不正确。

－

考点二

几种重要的化学电池

高考中常见的新型电池有“氢镍电池”、“高铁电池”、“碱性锌锰电池”、“海洋电池”、“燃料电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO燃料电池)、“锂离子电池”、“锌银电池”、“纽扣电池”、“Mg—AgCl电池”、“Mg—H2O2电池”等。新型电池是对电化学原理的综合考查，在高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。

1．判断电极

（1）“放电”时正、负极的判断

①负极：元素化合价升高或发生氧化反应的物质；

②正极：元素化合价降低或发生还原反应的物质。

（2）“充电”时阴、阳极的判断

①阴极：“放电”时的负极在“充电”时为阴极；

②阳极：“放电”时的正极在“充电”时为阳极。

2．微粒流向

（1）电子流向

①电解池：电源负极→阴极，阳极→电源正极；

②原电池：负极→正极。

提示：无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。

（2）离子流向

①电解池：阳离子移向阴极，阴离子移向阳极；

②原电池：阳离子移向正极，阴离子移向负极。

3．书写电极反应式

（1）“放电”时电极反应式的书写

①依据条件，指出参与负极和正极反应的物质，根据化合价的变化，判断转移电子的数目；

②根据守恒书写负极(或正极)反应式，特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。

（2）“充电”时电极反应式的书写

充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程，充电的阴极反应为放电时负极反应的逆过程。

2

特别提醒

在书写“放电”时电极反应式时，要注意：

（1）阳离子在正极上参与反应，在负极上就必须生成；

（2）阴离子在负极上参与反应，在正极上就必须生成。

【例2】一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为CH3CH2OH－4e＋H2O===CH3COOH＋4H。下列有关说法正确的是(

) A．检测时，电解质溶液中的H向负极移动

B．若有0.4 mol电子转移，则在标准状况下消耗4.48 L氧气

C．电池反应的化学方程式为CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应为O2＋4e＋2H2O===4OH

【答案】C 【解析】解答本题时审题是关键，反应是在酸性电解质溶液中进行的。在原电池中，阳离子要往正极移动，故A错；因电解质溶液是酸性的，不可能存在OH，故正极的反应式为O2＋4H＋4e===2H2O，转移4 mol电子时消耗

1 mol O2，则转移0.4 mol电子时消耗2.24 L O2，故B、D错；电池反应式即正、负极反应式之和，将两极的反应式相加可知

C正确。

【归纳】

不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写，大多数学生感到较难。主要集中在：一是得失电子数目的判断，二是电极产物的判断。下面以CH3OH、O2燃料电池为例，分析电极反应式的书写。

（1）酸性介质，如H2SO4。

CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体，O2在正极上得到电子，在H作用下生成H2O。电极反应式为

负极：CH3OH－6e＋H2O===CO2↑＋6H

3－＋正极：O2＋6e＋6H===3H2O 2（2）碱性介质，如KOH溶液。

CH3OH在负极上失去电子，在碱性条件下生成CO23，1 mol CH3OH 失去6 mol e，O2在正极上得到电子－－－＋＋－＋－－－＋＋－生成OH，电极反应式为

负极：CH3OH－6e＋8OH===CO23＋6H2O －－－－3－－正极：O2＋6e＋3H2O===6OH

2（3）熔融盐介质，如K2CO3。

2在电池工作时，CO23移向负极。CH3OH在负极上失去电子，在CO3的作用下生成CO2气体，O2在正极上－－得到电子，在CO2的作用下生成CO23，其电极反应式为

－负极：CH3OH－6e＋3CO23===4CO2↑＋2H2O －－3－－正极：O2＋6e＋3CO2===3CO23

2（4）掺杂Y2O3的ZrO3固体作电解质，在高温下能传导正极生成的O2。

－

3

根据O2移向负极，在负极上CH3OH失电子生成CO2气体，而O2在正极上得电子生成O2，电极反应式为

－－负极：CH3OH－6e＋3O2===CO2↑＋2H2O －－3－－正极：O2＋6e===3O2

2【例2】镍镉(Ni—Cd)可充电电池在现代生活中有广泛应用。已知某镍镉电池的电解质溶液为KOH溶液，放电其充、放电按下式进行：Cd＋2NiOOH＋2H2O充电Cd(OH)2＋2Ni(OH)2。有关该电池的说法正确的是(

) A．放电时负极得电子，质量减轻

B．放电时电解质溶液中的OH向正极移动

C．充电时阴极附近溶液的pH减小

D．充电时阳极反应：Ni(OH)2－e＋OH===NiOOH＋H2O 【答案】D 【解析】该可充电电池的放电过程的电极反应式为负极：Cd－2e＋2OH===Cd(OH)2；正极：2NiOOH＋2H2O＋2e===2Ni(OH)2＋2OH，所以正确选项为D。

【例3】气体的自动化检测中常常应用原电池原理的传感器。下图为电池的工作示意图，气体扩散进入传感器，在敏感电极上发生反应，传感器就会接收到电信号。下表列出了待测气体及敏感电极上部分反应产物。则下列说法中正确的是(

) －－－－－－－

待测气体

NO2

Cl2

CO H2S A．上述气体检测时，敏感电极均作原电池正极

B．检测Cl2气体时，敏感电极的电极反应为Cl2＋2e===2Cl

C．检测H2S气体时，对电极充入空气，对电极上电极反应式为O2＋2H2O＋4e===4OH

D．检测H2S和CO体积分数相同的两份空气样本时，传感器上产生的电流大小相同

【答案】B 【解析】A项，NO2―→NO，得电子，作正极，Cl2―→HCl，得电子，作正极，CO―→CO2，失电子，作负极，H2S―→H2SO4，失电子，作负极；B项，根据产物可以判断Cl2得电子，生成Cl，正确；C项，应为O2＋4e＋4H===2H2O；D项，H2S生成H2SO4失去8e，而CO生成CO2失去2e，所以检测体积分数相同的两气体时传感器上产生的电流大小不相同。

4 －＋－－－－－－－敏感电极部分产物

NO HCl CO2

H2SO4

考点三

电解池的“不寻常”应用

“六点”突破电解池

1．分清阴、阳极，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，两极的反应为“阳氧阴还”。

2．剖析离子移向，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。

3．注意放电顺序。

4．书写电极反应式，注意得失电子守恒。

5．正确判断产物。

（1）阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意：铁作阳极溶解生成Fe2，而不是Fe3)；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力，阴离子＋＋放电顺序为S2>I>Br>Cl>OH(水)。

－－－－－（2）阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断：

Ag>Hg2>Fe3>Cu2>H>Pb2>Fe2>Zn2>H(水) ＋＋＋＋＋＋＋＋＋6．恢复原态措施。

电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解CuSO4溶液，Cu2完全放电之前，可加入CuO或CuCO3＋复原，而Cu2完全放电之后，应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。

＋【例4】

(2015·四川理综，4)用下图所示装置除去含CN、Cl废水中的CN时，控制溶液pH为9～10，阳极产生的ClO将CN氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确的是(

) －－－－－

A．用石墨作阳极，铁作阴极

B．阳极的电极反应式：Cl＋2OH－2e===ClO＋H2O C．阴极的电极反应式：2H2O＋2e===H2↑＋2OH

D．除去CN的反应：2CN＋5ClO＋2H===N2↑＋2CO2↑＋5Cl＋H2O 【答案】D 【解析】Cl在阳极发生氧化反应生成ClO，水电离出的H在阴极发生还原反应生成H2，又由于电解质溶液呈碱性，故A、B、C项正确；D项，溶液呈碱性，离子方程式中不能出现H，正确的离子方程式为2CN＋5ClO＋H2O===N2↑＋2CO2↑＋5Cl＋2OH，错误。

－－－－＋－－＋－－－＋－－－－－－－考点四

金属腐蚀与防护的“两种比较”、“两种方法”

5

1．两种比较

（1）析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较

类型

条件

正极

反应

负极反应

析氢腐蚀

水膜呈酸性

2H＋2e

===H2↑

－＋－吸氧腐蚀

水膜呈弱酸性或中性

O2＋2H2O＋4e

===4OH

Fe－2e===Fe2

＋－－Fe2＋2OH===Fe(OH)2↓

＋－其他

反应

4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=== 4Fe(OH)3

Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈

（2）腐蚀快慢的比较

①一般来说可用下列原则判断：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；

③活泼性不同的两种金属，活泼性差别越大，腐蚀越快；

④对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀的速率越快。

2．两种保护方法

（1）加防护层

如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属或生成一层致密的薄膜。

（2）电化学防护

①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理：正极为被保护的金属，负极为比被保护的金属活泼的金属；

②外加电流的阴极保护法——电解原理：阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。

【例5】利用下图装置进行实验，开始时，a、b两处液面相平，密封好，放置一段时间。下列说法不正确的是(

)

A．a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀

B．一段时间后，a管液面高于b管液面

C．a处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小

6

D．a、b两处具有相同的电极反应式：Fe－2e===Fe2

－＋【答案】C 【解析】根据装置图判断，左边铁丝发生吸氧腐蚀，右边铁丝发生析氢腐蚀，其电极反应为

左边

负极：Fe－2e===Fe2

－＋正极：O2＋4e＋2H2O===4OH

右边

负极：Fe－2e===Fe2

－＋－－正极：2H＋2e===H2↑

a、b处的pH均增大，C错误。

【例6】(2015·上海，14)研究电化学腐蚀及防护的装置如右图所示。下列有关说法错误的是(

) ＋－

A．d为石墨，铁片腐蚀加快

B．d为石墨，石墨上电极反应为O2＋2H2O＋4e―→4OH

C．d为锌块，铁片不易被腐蚀

D．d为锌块，铁片上电极反应为2H＋2e―→H2↑

【答案】D 【解析】由于活动性：Fe>石墨，所以铁、石墨及海水构成原电池，Fe为负极，失去电子被氧化变为Fe2＋＋－－－进入溶液，溶解在海水中的氧气在正极石墨上得到电子被还原，比没有形成原电池时的速率快，正确；B项，d为石墨，由于是中性电解质，所以发生的是吸氧腐蚀，石墨上氧气得到电子，发生还原反应，电极反应为O2＋2H2O＋4e―→4OH，正确；C项，若d为锌块，则由于金属活动性：Zn>Fe，Zn为原电池的负极，Fe为正极，首先被腐蚀的是Zn，铁得到保护，铁片不易被腐蚀，正确；D项，d为锌块，由于电解质为中性环境，发生的是吸氧腐蚀，在铁片上电极反应为O2＋2H2O＋4e―→4OH，错误。

－－－－考点五

利用“电子守恒”思想突破电化学的计算

电化学计算的基本方法和技巧：

原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等。通常有下列三种方法：

1．根据电子守恒计算

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．根据总反应式计算

7

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。

3．根据关系式计算

根据得失电子守恒定律关系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。

如以通过4 mol e为桥梁可构建如下关系式：

－

(式中M为金属，n为其离子的化合价数值) 该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。

【例7】如下图所示，其中甲池的总反应式为2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O。下列说法正确的是(

)

A．甲池是电能转化为化学能的装置，乙、丙池是化学能转化为电能的装置

B．甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH－6e＋2H2O===CO23＋8H

－－＋C．反应一段时间后，向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体能使CuSO4溶液恢复到原浓度

D．甲池中消耗280 mL(标准状况下)O2，此时丙池中理论上最多产生1.45 g固体

【答案】D 【解析】甲池为原电池，作为电源，乙池、丙池为两个电解池。根据原电池的形成条件，通入CH3OH的一极为负极，通入O2的一极为正极，所以石墨、Pt(左)作阳极，Ag、Pt(右)作阴极；B项，负极反应：CH3OH－6e＋8OH===CO2C项，应加入CuO或CuCO3；D项，丙池中：MgCl2＋2H2O电解,Mg(OH)2↓3＋6H2O；－－－＋Cl2↑＋H2↑，消耗0.012 5 mol O2，转移0.05 mol电子，生成0.025 mol Mg(OH)2，其质量为1.45 g。

【点睛】

两种“串联”装置图比较

图1中无外接电源，其中必有一个装置是原电池装置(相当于发电装置)，为电解池装置提供电能，其中两个

8

电极活泼性差异大者为原电池装置，如图1中左边为原电池装置，右边为电解池装置。图2中有外接电源，两烧杯均作电解池，且串联电解，通过两池的电子数目相等。

9