届高考化学总复习第6章化学反应与能量变化第3讲电解池金属的腐蚀与防护配套练习新人教版.docx
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届高考化学总复习第6章化学反应与能量变化第3讲电解池金属的腐蚀与防护配套练习新人教版
第3讲 电解池、金属的腐蚀与防护
【2019·备考】
最新考纲:
1.理解电解池的构成、工作原理及应用。
2.能书写电极反应和总反应方程式。
3.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
考点一 电解原理
(频数:
★★★ 难度:
★★☆)
1.电解定义
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.能量转化形式
电能转化为化学能。
3.电解池
(1)构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融盐)
③形成闭合电路。
(2)电极名称及电极的反应式(如图)
(3)电子和离子的移动方向(惰性电极)
4.电解过程
(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。
(2)再分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组。
说明 不要忘记水溶液中的H+和OH-,不要把H+、OH-误加到熔融电解质中。
(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序
阴极:
阳离子放电顺序Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
阳极:
活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
说明 ①“活泼电极”一般指Pt、Au以外的金属。
②最常用的放电顺序:
阳极:
活泼金属>Cl->OH-;阴极:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+。
(4)分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。
(5)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
名师助学:
在掌握放电顺序的基础上,总结用惰性电极电解电解质的规律,是灵活运用电解原理的基础。
1.电解水型
规律:
H+、OH-放电,电解质形成的阳离子要么是H+,要么是放电顺序排在H+之后的活泼性较强的金属对应的阳离子;阴离子要么是OH-,要么是放电顺序排在OH-之后的含氧酸根等。
实例
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
含氧酸(如H2SO4)
阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
阴极:
4H++4e-===2H2↑
H2O
2H2O
O2↑
+2H2↑
增大
减小
加
H2O
强碱(如NaOH)
增大
加
H2O
活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)
不变
加
H2O
2.电解电解质型
规律:
电解质形成的阴、阳离子放电,电解质电离形成的阴、阳离子要么是H+、OH-,要么是放电顺序排在H+、OH-之前的对应离子。
实例:
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
无氧酸(如HCl),除HF外
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
酸
2HCl
H2↑+Cl2↑
减小
增大
通入
HCl
气体
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
Cu2++2e-===Cu
盐
CuCl2
Cu+Cl2↑
加
CuCl2
固体
3.电解电解质和水型
规律:
放电离子分别是水电离形成的H+或OH-以及电解质形成的阴离子或阳离子。
实例1 放H2生碱型
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
水和
盐
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
生成新
电解质
增大
通入
HCl
气体
实例2 放O2生酸型
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
阴极:
2Cu2++4e-===2Cu
水和
盐
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
生成新
电解质
减小
加
CuO
或
CuCO3
题组一 电解原理的理解及电解规律的应用
1.下列装置的线路接通后,经过一段时间,溶液的pH明显减小的是( )
解析 A项,该装置是原电池装置,H+放电生成氢气,溶液的pH增大,A项错误;B项,阳极:
Cu-2e-+2OH-===Cu(OH)2↓,阴极:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-,总反应为:
Cu+2H2O
Cu(OH)2+H2↑,pH增大,B项错误;电解食盐水,总反应为:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,生成氢氧化钠使溶液的pH增大,C项错误;电解硫酸铜溶液的总反应为:
2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,溶液的pH减小,D项正确。
答案 D
2.(2018·宜昌期末)用图甲装置电解一定量的CuSO4溶液,M、N为惰性电极。
电解过程实验数据如图乙所示。
横轴表示电解过程中转移电子的物质的量,纵轴表示电解过程产生气体的总体积。
下列说法不正确的是( )
A.A点所得溶液只需加入一定量的CuO固体就可恢复到起始状态
B.电解过程中N电极表面先有红色物质生成,后有气泡产生
C.Q点时M、N两电极上产生的总气体在相同条件下体积相同
D.若M电极材料换成Cu,则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
解析 惰性材料作电极,在阳极上H2O先放电,即阳极的电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,在阴极,Cu2+先放电,即阴极的电极反应式为Cu2++2e-===Cu,P点后,气体体积突然增大,说明P点Cu2+消耗完全,P点后,阴极的电极反应式是2H++2e-===H2↑,即A点是电解完CuSO4后,又电解了一部分水,应加入CuO和H2O或Cu(OH)2,才能恢复到原来的状态,故A说法错误;N极接电源的负极,N极作阴极,根据选项A的分析,先有红色铜析出,然后出现气体,故B说法正确;Q点的气体来自两个阶段,第一阶段:
阳极电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阴极电极反应式为Cu2++2e-===Cu,第二阶段:
阳极电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阴极反应式为2H++2e-===H2↑,P点产生的气体为氧气,其体积为bL,从P点到Q点,第二阶段,阴极产生的气体体积为2bL,阳极产生的气体体积为bL,阳极气体总体积为(b+b)L=2bL,故C说法正确;若M电极换成Cu,阳极上发生反应Cu-2e-===Cu2+,阴极反应式为Cu2++2e-===Cu,因此电解过程中CuSO4溶液的浓度不变,故D说法正确。
答案 A
题组二 电解装置分析及电极方程式书写
3.纳米级Cu2O由于具有优良的催化性能而受到关注。
采用离子交换膜控制电解液中OH-的浓度制备纳米级Cu2O的装置如图所示,发生的反应为:
2Cu+H2O
Cu2O+H2↑。
下列说法正确的是( )
A.钛电极发生氧化反应
B.阳极附近溶液的pH逐渐增大
C.离子交换膜应采用阳离子交换膜
D.阳极反应式是:
2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O
解析 钛电极为阴极,发生还原反应,A项错误;铜作阳极,阳极上铜发生失电子的氧化反应,电极反应式为2Cu+2OH--2e-===Cu2O+H2O,OH-由阴极区迁移到阳极区参与反应,离子交换膜应为阴离子交换膜,C项错误,D项正确;由阴极区迁移过来的OH-在阳极全部参与反应,消耗OH-,pH值减小,B项错误。
答案 D
4.铅蓄电池在日常生活中应用广泛。
回答下列问题:
(1)铅蓄电池放电时的工作原理为Pb+PbO2+2H2SO4===2PbSO4+2H2O,现用如图装置进行电解(电解液足量),测得当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减少11.2g。
请回答下列问题:
①A是铅蓄电池的________极。
②Ag电极的电极反应式是_____________________________________,
该电极的电极产物共________g。
③Cu电极的电极反应式是_______________________________________,
CuSO4溶液的浓度________(填“减小”“增大”或“不变”)。
(2)铅蓄电池的PbO2可由PbO与次氯酸钠溶液反应制得,反应的离子方程式为_______________________________________________________________;
PbO2也可以石墨为电极,Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液制取。
阳极发生的电极反应式为_____________________________________________
_______________________________________________________________,
阴极上观察到的现象是___________________________________________;
若电解液中不加入Cu(NO3)2,阴极发生的电极反应式为
___________________________________________________________________,
这样做的主要缺点是____________________________________________。
(3)将Na2S溶液加入如图所示的电解池的阳极区,用铅蓄电池进行电解,电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-===S,(n-1)S+S2-===S
。
电解时阴极的电极反应式:
_______________________________________。
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___________________________________________________________。
解析
(1)①因电解过程中铁电极质量减少,判断A是电源负极,B是电源正极。
②电解时Ag极作阴极,发生2H++2e-===H2↑,转移0.4mol电子时,析出氢气0.4g。
③右侧U形管相当于电镀装置,Zn电极作阴极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,铜电极作阳极,电极反应式为Cu-2e-===Cu2+,电镀过程中CuSO4溶液的浓度保持不变。
(2)根据电子得失守恒可得PbO+ClO-===PbO2+Cl-。
用电解法制PbO2,Pb价态升高,PbO2应为阳极产物,即Pb2++2H2O-2e-===PbO2↓+4H+;阴极Cu2+放电,在石墨极上析出铜;若不加Cu(NO3)2,则阴极为Pb2+放电,损失Pb2+,不能有效利用Pb2+。
(3)阴极只有H+得电子生成H2;反应物为S
、H+,产物有S,所以S
中S的化合价既升高也降低,有H2S生成,配平即可。
答案
(1)①负 ②2H++2e-===H2↑ 0.4
③Cu-2e-===Cu2+ 不变
(2)PbO+ClO-===PbO2+Cl-
Pb2++2H2O-2e-===PbO2↓+4H+
石墨上析出铜
Pb2++2e-===Pb↓
不能有效利用Pb2+
(3)2H++2e-===H2↑
S
+2H+===(n-1)S↓+H2S↑
【易错警示】
规避“四个”失分点
(1)书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写总电解反应方程式时,弱电解质要写成分子式。
(2)要确保两极电子转移数目相同,且注明条件“电解”。
(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
(4)当电解池的电极材料为活性电极时,则阳极为电极本身失电子,不能再用电解规律。
题组三 电解过程中的定量分析
5.用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液时,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1molCu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和pH(不考虑二氧化碳的溶解)。
则电解过程中转移电子的物质的量为( )
A.0.4molB.0.5mol
C.0.6molD.0.8mol
解析 电解硫酸铜时,开始硫酸铜和水反应生成铜、氧气和硫酸,后来电解水生成氢气与氧气。
如果只按照第一阶段的电解,反应后只需要加入氧化铜或碳酸铜即可恢复原电解质溶液。
而题目中加入的是碱式碳酸铜,相当于加入了0.2mol氧化铜和0.1mol水,而0.1mol水是第二阶段的反应所消耗的,该阶段转移了0.2mol电子,第一阶段转移了0.4mol电子,即一共转移了0.6mol电子,C项正确。
答案 C
6.(2018·华中师大附中期末)用惰性电极电解100mL3mol·L-1的Cu(NO3)2溶液,一段时间后在阳极收集到标准状况下气体1.12L,停止电解,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,充分作用后溶液中Fe2+浓度为(设溶液体积不变)( )
A.3mol·L-1B.2.75mol·L-1
C.2mol·L-1D.3.75mol·L-1
解析 阳极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阴极反应式为Cu2++2e-===Cu,阳极生成的气体为氧气,氧气的物质的量为1.12L÷22.4L·mol-1=0.05mol,则
故电解后溶液中生成的HNO3的物质的量为0.2mol。
电解后溶液中硝酸铜的物质的量为0.1L×3mol·L-1-0.1mol=0.2mol,硝酸与足量的铁反应生成硝酸亚铁,反应方程式为8HNO3+3Fe===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O,故0.2molHNO3生成Fe(NO3)2的物质的量为0.2mol×3/8=0.075mol,硝酸铜与铁反应生成硝酸亚铁,离子方程式为Fe+Cu2+===Fe2++Cu,故0.2mol硝酸铜生成Fe(NO3)2的物质的量为0.2mol,反应后溶液中Fe2+的物质的量为0.2mol+0.075mol=0.275mol,反应后溶液中Fe2+浓度为0.275mol/0.1L=2.75mol·L-1,选B。
答案 B
【方法规律】
突破电化学定量计算的三种方法
考点二 电解原理的应用
(频数:
★★★ 难度:
★★☆)
1.电解饱和食盐水
(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↑
离子反应方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)应用:
氯碱工业制烧碱、氢气和氯气
阳极:
钛网(涂有钛、钌等氧化物涂层)。
阴极:
碳钢网。
阳离子交换膜:
①只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过。
②将电解槽隔成阳极室和阴极室。
2.电解精炼铜
3.电镀铜
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
总方程式
阳极、阴极反应式
冶炼钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
2Cl--2e-===Cl2↑
2Na++2e-===2Na
冶炼镁
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
2Cl--2e-===Cl2↑
Mg2++2e-===Mg
冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
6O2--12e-===3O2↑
4Al3++12e-===4Al
由于AlCl3为共价化合物熔融状态下不导电,所以电解冶炼铝时,电解的为熔点很高的氧化铝,为降低熔点,加入了助熔剂冰晶石(Na3AlF6);而且电解过程中,阳极生成的氧气与石墨电极反应,所以石墨电极需不断补充。
1.源于教材电解原理的基本判断
(1)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变( )
(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料( )
(3)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3( )
(4)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料( )
(5)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( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)×
2.(溯源题)(2017·课标全国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。
判断下列叙述是否正确
(1)待加工铝质工件为阳极( )
(2)可选用不锈钢网作为阴极( )
(3)阴极的电极反应式为:
Al3++3e-===Al( )
(4)硫酸根离子在电解过程中向阳极移动( )
答案
(1)√
(2)√ (3)× (4)√
探源:
本题源于RJ选修4P80“电解原理应用”及其知识拓展,对电解原理的应用进行了考查。
题组一 电解原理在物质制备中的应用
1.氨是生产氮肥、尿素等物质的重要原料。
电化学法是合成氨的一种新方法,其原理如图所示,下列有关说法正确的是( )
A.图中所示物质中,X为H2,Y为N2
B.Y参与的电极反应为H2+2e-===2H+
C.当有3molH+通过质子交换膜时,Z的体积为22.4L
D.反应过程中左边区域溶液pH逐渐升高
解析 根据题图可知,H+向左边电极移动,则左边电极为阴极,右边电极为阳极,合成氨的过程中N2得电子发生还原反应,H2失去电子发生氧化反应,故X为N2,Y为H2,Z为NH3,A项错误。
H2在阳极上失电子发生氧化反应,电极反应式为H2-2e-===2H+,B项错误。
未指明温度与压强,无法计算气体体积,C项错误。
N2在阴极上得电子发生还原反应,电极反应式为N2+6H++6e-===2NH3,故左边区域溶液中H+浓度逐渐降低,溶液pH逐渐升高,D项正确。
答案 D
2.在电解液不参与反应的情况下,采用电化学法还原CO2可制备ZnC2O4,原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.电解结束后电解液Ⅱ中c(Zn2+)增大
B.电解液Ⅰ应为ZnSO4溶液
C.Pt极反应式为2CO2+2e-===C2O
D.当通入44gCO2时,溶液中转移1mol电子
解析 因为右室Zn失去电子生成Zn2+,溶液中的Zn2+通过阳离子交换膜进入左室,根据电荷守恒,阴离子浓度不变,c(Zn2+)不变,A项错误;右室生成的Zn2+通过阳离子交换膜进入左室与生成的C2O
结合为ZnC2O4,因此,电解液Ⅰ为稀的ZnC2O4溶液,不含杂质,电解液Ⅱ只要是含Zn2+的易溶盐溶液即可,B项错误;Pt极反应式为2CO2+2e-===C2O
,C项正确;当通入44gCO2时,外电路中转移1mol电子,溶液中不发生电子转移,D项错误。
答案 C
题组二 电解原理在环境治理中的应用
3.用Na2SO3溶液吸收硫酸工业尾气中的二氧化硫,将所得的混合液进行电解循环再生,这种新工艺叫再生循环脱硫法。
其中阴、阳离子交换膜组合循环再生机理如图所示,下列有关说法不正确的是( )
A.X为直接电源的负极,Y为直流电源的正极
B.阳极的电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑
C.图中的b>a
D.该过程中的产品主要为H2SO4和H2
解析 根据Na+和SO
、HSO
的移动方向可知Pt(Ⅰ)为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,Pt(Ⅱ)为阳极,电极反应式为SO
-2e-+H2O===SO
+2H+。
答案 B
4.(2017·南师附中模拟)电化学降解法治理水中硝酸盐的污染原理如图所示。
下列说法正确的是( )
A.B为电源正极
B.电解过程中H+向阳极移动
C.阴极反应式为2NO
+6H2O+10e-===N2↑+12OH-
D.理论上电解过程中阴、阳两极产生的气体在同温同压下体积比为2∶5
解析 A项,从图中看,NO
转化成N2,N由+5价降为0价,得电子,应为阴极,则B为负极,错误;B项,电解过程中,H+移向阴极,错误;C项,阳极为OH-放电,留下H+,H+移向阴极参与电极反应2NO
+12H++10e-===NO2↑+6H2O,错误;D项,阴极:
10e-~N2,阳极:
4e-~O2,两者转移电子数相等,则在同温同压下生成的气体体积比为2∶5,正确。
答案 D
题组三 电解原理在物质分离、提纯中的应用
5.(2018·广州综合测试)用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。
下列有关说法错误的是( )
A.阳极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑
B.通电后阴极区溶液pH会增大
C.K+通过交换膜从阴极区移向阳极区
D.纯净的KOH溶液从b口导出
解析 阳极区为粗KOH溶液,阳极上OH-失电子发生氧化反应:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,A项正确;阴极上H2O得电子发生还原反应:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-,阴极区附近溶液中c(OH-)增大,pH增大,B项正确;电解时阳离子向阴极移动,故K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区,C项错误;阴极区生成KOH,故纯净的KOH溶液从b口导出,D项正确。
答案 C
考点三 金属的腐蚀与防护
(频数:
★☆☆ 难度:
★☆☆)
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
2.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与接触到的干燥气体(如O2、Cl2、SO2等)或非电解质液体(如石油)等接触
不纯金属或合金跟电解质溶液接触
现象
无电流产生
有微弱电流产生
本质
金属被氧化
较活泼金属被氧化
联系
两者往往同时发生,电化学腐蚀更普遍
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强(pH≤
4.3)
水膜酸性很弱或呈中
性
电极材料及反应
负极
Fe:
Fe-2e-===Fe2+
正极
C:
2H++2e-===H2↑
C:
O2+2H2O+4e-===4OH-
总反应式
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
3.金属的防护
(1)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理
a.负极:
比被保护金属活泼的金属;
b.正极:
被保护的金属设备。
②外加电流的阴极保护法——电解原理
a.阴极:
被保护的金属设备;
b.阳极:
惰性金属。
(2)改变金属的内部结构组成,如制成合金、不锈钢等。
(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
教材图解
LK选修4P21 铜锌原电池装置
(2)示意图
RJ选修4P86 牺牲阳极的阴极保护法示意图
以上教材中的两个图示中所说的阳极是指原电池的负极。
1.判断正误(RJ选修4·P886改编)
(1)黄铜(铜锌合金)制作的铜锣不易