版高考化学一轮复习第六章化学反应与能量变化第22讲电解池金属的电化学腐蚀与防护学案.docx
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版高考化学一轮复习第六章化学反应与能量变化第22讲电解池金属的电化学腐蚀与防护学案
第22讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护
考纲要求
1.理解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
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。
考点一 电解的原理
1.电解和电解池
(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。
2.电解池的工作原理
(1)电极名称及电极反应式(电解CuCl2溶液为例)
总反应式:
CuCl2
Cu+Cl2↑
(2)电子和离子的移动方向
①电子:
从电源负极流出后,流向电解池阴极;从电解池的阳极流出后流向电源的正极。
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.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:
(2)阳极:
若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。
若是惰性电极作阳极,放电顺序为
注意 ①阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
②最常用、最重要的放电顺序为阳极:
Cl->OH-;阴极:
Ag+>Cu2+>H+。
③电解水溶液时,K+~Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
4.用惰性电极电解电解质溶液的规律
类型
实例
电极反应式
电解对象
溶液pH变化
溶液复原
电解
水型
含氧酸
H2SO4
阳极:
________
阴极:
________
总反应:
________
水
强碱
NaOH
活泼金属的含氧酸盐
KNO3
电解电解质型
无氧酸
(氢氟酸除外)
HCl
阳极:
________
阴极:
________
总反应:
________
不活泼金属的无氧酸盐
CuCl2
阳极:
________
阴极:
________
总反应:
________
放氢生碱型
活泼金属的无氧酸盐
NaCl
阳极:
________
阴极:
________
总反应:
________
放氧生酸型
不活泼金属的含氧酸盐
AgNO3
阳极:
________
阴极:
________
总反应:
________
答案 4OH--4e-===2H2O+O2↑ 4H++4e-===2H2↑ 2H2O
2H2↑+O2↑ 减小 增大 不变 水 2Cl--2e-===Cl2↑ 2H++2e-===H2↑ 2HCl
H2↑+Cl2↑ HCl 增大 HCl 2Cl--2e-===Cl2↑ Cu2++2e-===Cu CuCl2
Cu+Cl2↑ CuCl2 CuCl2 2Cl--2e-===Cl2↑ 2H++2e-===H2↑ 2NaCl+2H2O
H2↑+Cl2↑+2NaOH NaCl和H2O 增大 HCl 4OH--4e-===2H2O+O2↑ 4Ag++4e-===4Ag4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3 AgNO3和H2O 减小 Ag2O
电解基础知识
(1)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程(√)
(2)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现(√)
(3)电解池的阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应(√)
(4)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极(×)
(5)电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极(×)
(6)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色(×)
(7)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大(×)
(8)电解NaNO3溶液时,随着电解进行,溶液的pH减小(×)
1.根据金属活动顺序表,Cu和稀H2SO4不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?
答案 Cu作阳极,C作阴极,稀H2SO4作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。
电解反应式为阳极:
Cu-2e-===Cu2+,阴极:
2H++2e-===H2↑。
总反应式:
Cu+2H+
Cu2++H2↑。
2.若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98gCu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为多少?
答案 4NA
解析 方法一:
98gCu(OH)2的物质的量为1mol,相当于电解了1mol的CuSO4后,又电解了1mol的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。
方法二:
可以认为整个电路中转移的电子数与Cu(OH)2的O2-失电子数相等,共4NA。
题组一 电解规律及电极产物的判断
1.(2017·天津市实验中学高三模拟)以石墨为电极,电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。
下列说法错误的是( )
A.阴极附近溶液呈红色B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色D.溶液的pH变小
答案 D
解析 以石墨为电极,电解KI溶液,发生的反应为2KI+2H2O
2KOH+H2↑+I2(类似于电解饱和食盐水),阴极产物是H2和KOH,阳极产物是I2。
由于溶液中含有少量的酚酞和淀粉,所以阳极附近的溶液会变蓝(淀粉遇碘变蓝),阴极附近的溶液会变红(溶液呈碱性),A、B、C正确;由于电解产物有KOH生成,所以溶液的pH逐渐增大,D错误。
2.如图是一个用铂丝作电极,电解稀的MgSO4溶液的装置,电解液中加有中性红指示剂,此时溶液呈红色。
(指示剂的pH变色范围:
6.8~8.0,酸色—红色,碱色—黄色,Mg(OH)2沉淀的pH=9),接通电源一段时间后A管产生白色沉淀,回答下列问题:
(1)下列关于电解过程中电极附近溶液颜色变化的叙述正确的是________(填编号)。
①A管溶液由红变黄 ②B管溶液由红变黄 ③A管溶液不变色 ④B管溶液不变色
(2)写出A管中发生的反应:
_______________________________________________。
(3)写出B管中发生的反应:
____________________________________________________。
(4)检验b管中气体的方法是______________________________________________________。
(5)电解一段时间后,切断电源,将电解液倒入烧杯内观察到的现象是__________________。
答案
(1)①④
(2)2H++2e-===H2↑、Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓
(或2H2O+2e-+Mg2+===H2↑+Mg(OH)2↓)
(3)4OH--4e-===2H2O+O2↑(或2H2O-4e-===O2↑+4H+)
(4)用拇指堵住管口,取出试管,放开拇指,将带有火星的木条伸入试管内,木条复燃
(5)溶液呈红色,白色沉淀溶解
解析 电解时,阳极上氢氧根离子放电生成氧气,导致阳极附近溶液呈酸性;阴极上氢离子放电生成氢气,同时有氢氧根离子生成,氢氧根离子和镁离子反应生成氢氧化镁沉淀,溶液呈弱碱性。
题组二 电极反应式的书写与判断
3.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
____________________________________________________________;
阴极反应式:
__________________________________________________________________;
总反应离子方程式:
___________________________________________________________。
(2)用Al作电极电解NaOH溶液
阳极反应式:
______________________________________________________________;
阴极反应式:
_________________________________________________________________;
总反应离子方程式:
______________________________________________________________。
答案
(1)2Cl--2e-===Cl2↑
Mg2++2H2O+2e-===H2↑+Mg(OH)2↓
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-(或6H++6e-===3H2↑)
2Al+2H2O+2OH-
2AlO
+3H2↑
4.锰、硫、氮的化合物在人类生产、生活中有重要作用。
(1)MnO2可作超级电容器材料。
用惰性电极电解MnSO4溶液可制得MnO2,其阳极的电极反应式是__________________。
MnO2是碱性锌锰电池的正极材料,已知碱性锌锰电池的总反应为Zn+2MnO2+2H2O===2MnO(OH)+Zn(OH)2,碱性锌锰电池放电时,正极的电极反应式是________________________________________________________________________。
(2)硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。
由硫化氢获得硫单质有多种方法。
将用烧碱吸收H2S后所得的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。
电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-===S (n-1)S+S2-===S
①写出电解时阴极的电极反应式:
_________________________________________________
________________________________________________________________________。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成________________________________________________________________________。
(3)电解NO制备NH4NO3,其工作原理如图所示,为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A,A是____________,说明理由:
________________________________________。
答案
(1)Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+ MnO2+H2O+e-===MnO(OH)+OH-
(2)①2H2O+2e-===H2↑+2OH-②S
+2H+===(n-1)S↓+H2S↑
(3)NH3 根据总反应:
8NO+7H2O
3NH4NO3+2HNO3,电解产生的HNO3多,应补充NH3
解析
(1)Mn的化合价从+2价升到+4价,失电子发生氧化反应,则阳极电极反应式为Mn2++2H2O-2e-===MnO2+4H+。
碱性锌锰干电池中,MnO2作为正极,发生还原反应,其电极反应式为MnO2+H2O+e-===MnO(OH)+OH-。
(2)①电解时,阴极区溶液中的阳离子放电,即水溶液中的H+放电生成H2。
②由题给反应可知,阳极区生成了S
,S
可以理解为(n-1)S+S2-,加入稀硫酸生成S单质和H2S气体。
(3)根据电解NO制备NH4NO3的工作原理示意图知:
阴极反应式为3NO+15e-+18H+===3NH
+3H2O,阳极反应式为5NO-15e-+10H2O===5NO
+20H+,总反应式为8NO+7H2O
3NH4NO3+2HNO3,为了使电解产生的HNO3全部转化为NH4NO3,应补充NH3。
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+而不是生成Fe3+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
(3)三看电解质状态,若是熔融状态,就是金属的电冶炼。
题组三 有关电解的计算
5.(2018·兰州质检)将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3mol·L-1B.2×10-3mol·L-1
C.1×10-3mol·L-1D.1×10-7mol·L-1
答案 A
解析 根据2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,得:
n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2×
=0.002mol,c(H+)=
=4×10-3mol·L-1。
6.500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO
)=0.6mol·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2.24L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·L-1
B.上述电解过程中共转移0.2mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.05mol
D.电解后溶液中c(H+)为0.2mol·L-1
答案 A
解析 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2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子,而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2mol=0.2mol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0.1mol。
电解前后分别有以下守恒关系:
c(K+)+2c(Cu2+)=c(NO
),c(K+)+c(H+)=c(NO
),不难算出:
电解前c(K+)=0.2mol·L-1,电解后c(H+)=0.4mol·L-1。
电化学综合计算的三种常用方法
(1)根据总反应式计算
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。
(2)根据电子守恒计算
①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用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律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4mole-为桥梁可构建如下关系式:
阳极产物 阴极产物
(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。
考点二 电解原理的应用
1.氯碱工业
(1)电极反应
阳极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)
阴极反应式:
2H++2e-===H2↑(还原反应)
(2)总反应方程式
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
(3)氯碱工业生产流程图
2.电镀
下图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:
(1)镀件作阴极,镀层金属银作阳极。
(2)电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Ag-e-===Ag+;
阴极:
Ag++e-===Ag。
(4)特点:
阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。
3.电解精炼铜
(1)电极材料:
阳极为粗铜;阴极为纯铜。
(2)电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、Cu-2e-===Cu2+;
阴极:
Cu2++2e-===Cu。
4.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极:
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;
阴极:
4Al3++12e-===4Al。
有关电解原理的应用
(1)在镀件上电镀铜时,镀件与电源的正极连接(×)
(2)在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液(√)
(3)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料(×)
(4)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变(×)
(5)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3(×)
(6)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料(√)
(7)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌(×)
(1)电解过程中,阳离子交换膜的作用为只允许阳离子通过,阻碍Cl2分子、阴离子通过。
(2)电解过程中A中CuSO4溶液浓度逐渐减小,而B中CuSO4溶液浓度基本不变。
(3)下图电解的目的是在铝表面形成一层致密的氧化膜
阳极反应式:
2Al-6e-+6HCO
===Al2O3+6CO2↑+3H2O;
阴极反应式:
6H2O+6e-===3H2↑+6OH-。
题组一 应用电解原理制备物质
1.下图为EFC剑桥法用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图,其原理是在较低的阴极电位下,TiO2(阴极)中的氧解离进入熔融盐,阴极最后只剩下纯钛。
下列说法中正确的是( )
A.阳极的电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑
B.阴极的电极反应式为TiO2+4e-===Ti+2O2-
C.通电后,O2-、Cl-均向阴极移动
D.石墨电极的质量不发生变化
答案 B
解析 电解质中的阴离子O2-、Cl-向阳极移动,由图示可知阳极生成O2、CO、CO2,所以电极反应为2O2--4e-===O2↑,O2与石墨反应生成CO、CO2,A、C、D项错误,只有B项正确。
2.(2017·山西质检)采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。
下图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。
下列说法中正确的是( )
A.Zn与电源的负极相连
B.ZnC2O4在交换膜右侧生成
C.电解的总反应为2CO2+Zn
ZnC2O4
D.通入11.2LCO2时,转移0.5mol电子
答案 C
解析 电解过程中Zn被氧化,作阳极,所以Zn与电源的正极相连,A错误;Zn2+透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2O
形成ZnC2O4,B错误;没有给出气体所处的温度和压强,D错误。
题组二 精练和电镀
3.电解法精炼含有Fe、Zn、Ag等杂质的粗铜。
下列叙述正确的是( )
A.电解时以硫酸铜溶液作电解液,精铜作阳极
B.粗铜与电源负极相连,发生氧化反应
C.阴极上发生的反应是Cu2++2e-===Cu
D.电解后Fe、Zn、Ag等杂质会沉积在电解槽底部形成阳极泥
答案 C
解析 根据电解池原理,粗铜作阳极,比铜活泼的Zn、Fe等杂质发生氧化反应,比Cu不活泼的金属单质,如Ag、Au等在阳极底部沉积;精铜作阴极,只发生Cu2++2e-===Cu。
4.离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系。
由有机阳离子、Al2Cl
和AlCl
组成的离子液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。
钢制品应接电源的________极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极电极反应式为____________________。
若改用AlCl3水溶液作电解液,则阴极产物为________。
答案 负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
H2
解析 电镀时,镀件作阴极,即钢制品作阴极,接电源负极,根据阴极生成Al可知反应式为4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
。
若改为AlCl3水溶液作电解液,阴极反应为2H++2e-===H2↑,产物为H2。
题组三 应用电解原理治理污染
5.(2018·包头模拟)电浮选凝聚法处理污水的原理如图所示。
电解过程生成的胶体能使污水中的悬浮物凝聚成团而除去,电解时阳极也会产生少量气体。
下列说法正确的是( )
A.可以用铝片或铜片代替铁片
B.阳极产生的气体可能是O2
C.电解过程中H+向阳极移动
D.若污水导电能力较弱,可加入足量硫酸
答案 B
解析 电解原理是铁作阳极发生氧化反应生成Fe2+,阴极水中H+放电生成H2,阳极区生成胶体吸附水中悬浮杂质沉降而净水。
A项,铜盐无净水作用,错误;B项,阳极可能有少量OH-放电,正确;C项,H+在阴极放电,错误;D项,加入的硫酸会与胶体反应,错误。
6.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,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体,下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式为Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:
2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
答案 D
解析 阳极产生ClO-,发生的反应为Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O,所以阳极一定是石墨电极而不是铁电极,A、B两项正确;阴极是H+得电子产生H2,C项正确;溶液的pH为9~10,显碱性,因而除去CN-的反应为2CN-+5ClO-+2OH-===N2↑+2CO
+5Cl-+H2O,D项错误。
题组四 应用金属材料表面处理
7.以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式:
____________________________________________________________;
阴极反应式:
_______________________________________________________________;
总反应方程式:
______________________________________________________________。
答案 2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+ 6H++6e-===3H2↑ 2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
8.(2017·全国卷Ⅱ,11)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4-H2C2O4混合溶液。
下列叙述错误的是( )
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式:
Al3++3e-===Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
答案 C
解析 A项,根据电解原理可知,Al要形成氧化膜,化合价升高失电子,因此铝为阳极,正确;B项,阴极仅作导体,可选用不锈钢网,且不锈钢网接触面积大,能增加电解效率,正确;C项,阴极应为氢离子得电子生成氢气,错误;D项,电解时,阴离子移向阳