12年级

电解、腐蚀与金属防护

用电迫使反应逆向进行，以及铁锈背后的同一电化学原理。

直觉直觉：反向运行的原电池

原电池由自发反应产生电能。电解则由外电源把电子推向相反方向，迫使非自发反应（如分解水）发生。氧化仍发生在阳极，还原仍发生在阴极，但此时阳极是正极、阴极是负极。

改变电流和时间。

\ce{H2}

的体积始终是

\ce{O2}

的两倍，并与电量

It

成正比增长。

中学阶段中学阶段：法拉第定律

n(e^-) = \frac{It}{F},\qquad m = \frac{M\,I\,t}{z\,F},\qquad F = 96485\ \text{C/mol}

例题: 镀铜

2.0 A 的电流通过 $\ce{CuSO4}$ 溶液 30 min，阴极上析出多少克铜？

解答

$Q = It = 2.0 \times 1800 = 3600$ C，故 $n(e^-) = 3600/96485 = 0.0373$ mol。 $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ 每个原子需 2 个电子： $n(\ce{Cu}) = 0.0187$ mol， $m = 0.0187 \times 63.55 \approx 1.19$ g。

电解水时，阴极： $\ce{2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-}$ ，阳极： $\ce{2H2O -> O2 + 4H+ + 4e-}$ 。生成一个 $\ce{O2}$ 需要四个电子，而生成一个 $\ce{H2}$ 只需两个，因此体积比为 2 : 1。

大学大学阶段：腐蚀是被短路的电池

生锈是铁表面的微型原电池。铁裸露处作阳极， $\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}$ ；在有氧和水的其他区域发生阴极反应 $\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}$ 。产物生成 $\ce{Fe(OH)2}$ ，最终变为含水氧化铁(III)，即铁锈。

保护铁的办法是加涂层（油漆、镀锌），或把它与更易被氧化的金属（锌、镁）相连：“牺牲阳极”代替铁被腐蚀。锌之所以有效，是因为 $E^\circ(\ce{Zn^2+/Zn}) = -0.76$ V 低于 $E^\circ(\ce{Fe^2+/Fe}) = -0.44$ V。