高考化学一轮复习 第6章 化学反应与能量 第3节 电解池 金属的腐蚀与防护教师用书 新人教版.docx
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高考化学一轮复习第6章化学反应与能量第3节电解池金属的腐蚀与防护教师用书新人教版
第三节 电解池 金属的腐蚀与防护
考纲定位
考情播报
1.了解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应式和总反应方程式。
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。
2016·全国乙卷T11/全国丙卷T11
2015·全国卷ⅡT28
(2)
2014·全国卷ⅠT27(4)/全国卷ⅡT27(3)
2013·全国卷ⅠT10、T27(5)(6)
考点1|电解原理
[基础知识自查]
1.电解、电解池
2.电解池的构成和工作原理
(1)构成条件
①有与外接直流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)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
(3)电解池中电子、电流和离子的移向
①电子:
负极→阴极,阳极→正极
②电流:
正极→阳极→阴极→负极
③离子:
阳离子→阴极,阴离子→阳极
(4)两极放电(氧化或还原)顺序
①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:
金属(Au、Pt除外)电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
注:
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阳极材料若是金属电极(Au、Pt除外),溶液中的阴离子不反应,电极金属失电子被氧化。
[应用体验]
1.填写下列表格(均为惰性电极)
[提示] ①4H++4e-===2H2↑ 4OH--4e-===2H2O+O2↑ H2O 减小 H2O
②Cu2++2e-===Cu 2Br--2e-===Br2 CuBr2 CuBr2
③2H++2e-===H2↑ 2Cl--2e-===Cl2↑ NaCl和H2O 增大 HCl
④2Cu2++4e-===2Cu 4OH--4e-===2H2O+O2↑ CuSO4和H2O 减小 CuO
2.用铜作电极电解稀H2SO4溶液,阴、阳极反应式分为
_______________________________________________________________、
_______________________________________________________________,
电解总离子方程式为_________________________________________。
[提示] 2H++2e-===H2↑ Cu-2e-===Cu2+ Cu+2H+
Cu2++H2↑
[考点多维探究]
角度1 电解的原理分析
1.如图所示为用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图,其原理是TiO2中的氧解离进入熔融盐中而得到钝钛。
下列说法中正确的是( )
A.a极是正极,石墨极是阴极
B.反应后,石墨电极的质量不发生变化
C.电解过程中,O2-、Cl-均向a极移动
D.阴极的电极反应式为TiO2+4e-===Ti+2O2-
D [TiO2发生还原反应得到纯钛,故加入高纯TiO2的电极是电解池的阴极,a极是电源的负极,石墨极是阳极,A项错误;O2-在阳极发生氧化反应生成O2,高温下,石墨与O2反应生成CO、CO2,导致石墨质量减小,B项错误;电解过程中,阴离子向阳极(石墨极)移动,C项错误;TiO2中的氧解离进入熔融盐而得到纯钛,发生了还原反应,生成了Ti和O2-,D项正确。
]
2.(2015·福建高考)某模拟“人工树叶”电化学实验装置如下图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
下列说法正确的是( )
【导学号:
95812154】
A.该装置将化学能转化为光能和电能
B.该装置工作时,H+从b极区向a极区迁移
C.每生成1molO2,有44gCO2被还原
D.a电极的反应为:
3CO2+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
B [结合装置图为电解装置,模拟“人工树叶”,故为电能转化为化学能,A项错误;b极连接电源的正极,为阳极,在电解池中H+为阳离子,向a极(阴极)区移动,B项正确;右侧H2O→O2发生的是氧化反应,每生成1molO2,转移4mol电子,C3H8O中碳元素的化合价是-2,3CO2→C3H8O,转移18mol电子,故生成1molO2消耗2/3molCO2,C项错误;a电极发生的是还原反应:
3CO2+18H++18e-===C3H8O+5H2O,D项错误。
]
3.图中X为电源,Y为浸透饱和食盐水和酚酞试液的滤纸,滤纸中央滴有一滴KMnO4溶液,通电后Y中央的紫红色斑向d端扩散。
下列判断正确的是( )
A.滤纸上c点附近会变红色
B.Cu电极质量减小,Pt电极质量增大
C.Z中溶液的pH先减小,后增大
D.溶液中的SO
向Cu电极定向移动
A [紫红色斑即MnO
向d端扩散,根据阴离子向阳极移动的原理,可知d端为阳极,即b为正极,a为负极,c为阴极,NaCl溶液中H+放电,产生OH-,c点附近会变红色,A正确;电解硫酸铜溶液时,Pt为阳极,溶液中的OH-放电:
4OH--4e-===O2↑+2H2O,Cu为阴极,溶液中的Cu2+得电子,生成铜,总反应式为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4,Pt电极附近生成H+,则SO
向Pt电极移动,B、D不正确;随着电解的进行,Z中溶液变为硫酸溶液,继续电解则为电解水,硫酸浓度增大,pH减小,C不正确。
]
阴、阳极的判断方法
(1)根据外接电源:
正极连阳极,负极连阴极。
(2)根据电流方向:
从阴极流出,从阳极流入。
(3)根据电子流向:
从阳极流出,从阴极流入。
(4)根据离子流向:
阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。
(5)根据电极产物:
a.阳极:
电极溶解、逸出O2(或极区变酸性)或Cl2;b.阴极:
析出金属、逸出H2(或极区变碱性)。
角度2 电极反应式和电解方程式的书写
4.按要求书写方程式
【导学号:
95812155】
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
阳极反应式___________________________;
阴极反应式______________________________;
总反应离子方程式_________________________________。
(2)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__________________________________。
(3)用惰性电极电解Na2CO3溶液
阳极反应式________________________;
总反应方程式________________________________。
(4)用铁作电极电解NaOH溶液
阳极反应式_______________________________________________;
阴极反应式________________________________________________;
总反应方程式_____________________________________________。
(5)用Ag作电极电解稀盐酸
阳极反应式___________________________________________;
阴极反应式____________________________________________;
总反应离子方程式_____________________________________。
(6)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_____________________________________________。
(7)用惰性电极电解CuSO4和NaCl的混合液(CuSO4与NaCl的物质的量为1∶1),明显分三个阶段,写出三个阶段的阴、阳两极反应式_________________。
[答案]
(1)4OH--4e-===O2↑+2H2O
4Ag++4e-===4Ag
4Ag++2H2O
4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)4OH--4e-===H2O+O2↑
2H2O
2H2↑+O2↑
(4)Fe-2e-+2OH-===Fe(OH)2
2H++2e-===H2↑
Fe+2H2O
Fe(OH)2+H2↑
(5)2Ag-2e-===2Ag+ 2H++2e-===H2↑
2Ag+2H++2Cl-
2AgCl+H2↑
(6)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+ 6H++6e-===3H2↑
2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
(7)第一阶段:
阴:
Cu2++2e-===Cu
阳:
2Cl--2e-===Cl2↑
第二阶段:
阴:
Cu2++2e-===Cu
阳:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
第三阶段:
阴:
2H++2e-===H2↑
阳:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
5.(2015·全国卷Ⅱ改编)实验室用NH4Cl、盐酸、NaClO2(亚氯酸钠)为原料,通过以下过程制备ClO2:
(1)电解时的阴极反应式为___________________________,
阳极反应式为_______________________________________,
电解时发生反应的化学方程式为__________________________。
(2)NaClO2溶液与NCl3溶液反应的化学方程式为_______________。
[解析]
(1)由图可知,电解NH4Cl和盐酸混合溶液得到H2和NCl3,结合质量守恒和得失电子守恒写出电解时反应的化学方程式为NH4Cl+2HCl
3H2↑+NCl3。
(2)由图可知,NCl3溶液中加入NaClO2溶液,得到ClO2和NH3及溶液X,N由+3价降低为-3价,NaClO2中Cl由+3价升高到+4价,生成ClO2,Cl-未参与氧化还原反应,该反应的化学方程式为6NaClO2+NCl3+3H2O===6ClO2+NH3↑+3NaCl+3NaOH。
[答案]
(1)6H++6e-===3H2↑ NH
+3Cl--6e-===NCl3+4H+
NH4Cl+2HCl
NCl3+3H2↑
(2)6NaClO2+NCl3+3H2O===6ClO2+NH3↑+3NaCl+3NaOH
(1)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+)。
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。
(2)规避“三个”失分点
①书写电解池中电极反应式时,一般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,且应注明条件“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。
考点2|电解原理的应用
[基础知识自查]
1.电解饱和食盐水——氯碱工业
(1)电极反应
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑(反应类型:
氧化反应)。
阴极:
2H++2e-===H2↑(反应类型:
还原反应)。
检验阳极产物的方法是:
用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近,若试纸变蓝,证明生成了Cl2。
电解时向食盐水中加酚酞,阴极附近溶液变红,说明该电极附近产生的物质为NaOH。
(2)电解方程式
化学方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
离子方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
2.电镀与电解精炼铜
注:
①镀层金属作阳极,待镀元件作阴极,电解质溶液含有镀层金属离子。
②电镀铜时,电解质溶液中c(Cu2+)不变;电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)减小。
3.电冶金
冶炼钠、钙、镁、铝等活泼金属,必须用电解法。
如电解熔融氯化钠得到钠时:
注:
①电解熔融MgCl2冶炼镁,而不能电解熔融MgO冶炼镁,因MgO的熔点很高;②电解熔融Al2O3冶炼铝,而不能电解AlCl3冶炼铝,因AlCl3是共价化合物,其熔融态不导电。
[应用体验]
1.氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。
下图是离子交换膜法电解食盐水的示意图,图中的离子交换膜只允许阳离子通过。
(1)A为________极,X、Y分别是________、________。
(2)离子交换膜的作用:
_____________________________。
(3)a、b、c、d加入或取出的物质分别是________、________、________、________。
[提示]
(1)阳 Cl2 H2
(2)阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应:
2NaOH+Cl2===NaCl+NaClO+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸
(3)饱和食盐水 稀的NaOH溶液 稀的食盐水 浓NaOH溶液
2.铁片上镀银,铁片作________极,连接电源的________极,________作电镀液,阴极反应式为______________________________________,
阳极反应式为_____________________。
[提示] 阴 负 AgNO3溶液 Ag++e-===Ag Ag-e-===Ag+
[考点多维探究]
角度1 电解原理在化工制备方面的应用
1.(2016·潍坊市统考)一定条件下,利用如图所示装置可实现有机物苯(C6H6)到环己烷(C6H12)的转化。
下列叙述错误的是( )
A.导线中电子移动方向为D→A
B.生成目标产物的电极反应式为C6H6+6H++6e-===C6H12
C.装置图右侧导出的气体是氧气
D.上述过程中电能转化为化学能
A [根据题图可知,左侧发生苯转化为环己烷的反应,电极反应式为C6H6+6H++6e-===C6H12,B项正确;左侧电极D上发生还原反应,电极D为阴极,则A为电源负极,导线中电子移动方向为电源负极A→电解池阴极D,A项错误;右侧电极E上发生氧化反应:
2H2O-4e-===O2↑+4H+,导出的气体为氧气,C项正确;题中装置为电解池,电能转化为化学能,D项正确。
]
2.(2017·保定模拟)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,下列有关说法中不正确的是( )
A.X为直流电源的负极,Y为直流电源的正极
B.阳极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑
C.图中的b>a
D.该过程中的产品主要为H2SO4和H2
B [根据Na+和SO
的移向可知Pt(Ⅰ)为阴极,反应为2H++2e-===H2,Pt(Ⅱ)为阳极,反应为SO
-2e-+H2O===SO
+2H+。
]
3.电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如下:
电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴阳两极均为惰性电极。
(1)A极为________,电极反应式为______________________________。
(2)B极为________,电极反应式为__________________________________。
[解析] 产生H2是因为H2O电离的H+在阴极上得电子,即6H2O+6e-===3H2↑+6OH-,所以B极为阴极,A极为阳极,电极反应式为CO(NH2)2-6e-+8OH-===N2↑+CO
+6H2O。
[答案]
(1)阳极 CO(NH2)2+8OH--6e-===N2↑+CO
+6H2O
(2)阴极 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
角度2 电镀与精炼金属
4.
(1)粗铜的电解精炼如图所示。
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
___________________________________________________________。
(2)以CuSO4溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼,下列说法正确的是________。
a.电能全部转化为化学能
b.粗铜接电源正极,发生氧化反应
c.溶液中Cu2+向阳极移动
d.利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属
[解析]
(1)粗铜电解精炼时,粗铜作阳极与电源正极相连,所以粗铜板是图中电极c,d是阴极,发生的反应是Cu2++2e-===Cu,Au、Ag不如铜活泼,以单质的形式沉积在c(阳极)下方,Fe比铜活泼,以Fe2+的形式进入电解质溶液中。
(2)粗铜的电解精炼时,电能不可能全部转化为化学能,a错误;粗铜作阳极与电源正极相连,发生氧化反应,b正确;溶液中的Cu2+向阴极移动,c错误;不活泼金属Ag、Pt、Au等金属在阳极沉积,可以回收,d正确。
[答案]
(1)c Cu2++2e-===Cu Au、Ag以单质的形式沉积在c(阳极)下方,Fe以Fe2+的形式进入电解质溶液中
(2)bd
5.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________。
[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,阴极反应为2H++2e-===H2↑,产物为H2。
[答案] 负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
H2
角度3 电解原理在环境治理方面的应用
6.(2016·全国乙卷)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO
可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
A.通电后中间隔室的SO
离子向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-===O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成
B [电解池中阴离子向正极移动,阳离子向负极移动,即SO
离子向正极区移动,Na+向负极区移动,正极区水电离的OH-发生氧化反应生成氧气,H+留在正极区,该极得到H2SO4产品,溶液pH减小,负极区水电离的H+发生还原反应生成氢气,OH-留在负极区,该极得到NaOH产品,溶液pH增大,故A、C项错误,B项正确;该电解池相当于电解水,根据电解水的方程式可计算出当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.25mol的O2生成,故D项错误。
]
7.电镀废水中常含有剧毒的Cr2O
。
该废水处理的一种方法是利用还原剂把Cr2O
还原成毒性较低的Cr3+,再加碱生成沉淀;另一种方法是向废水中加入适量的NaCl,用Fe作电极进行电解。
下列说法错误的是( )
A.电解时,阳极反应式为Fe-2e-===Fe2+
B.电解过程中,阴极能产生氢气
C.电解过程中,Cr2O
被还原的离子方程式为Cr2O
+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
D.电解过程中,阳极附近生成Fe(OH)3和Cr(OH)3沉淀
D [电解法处理含铬废水的原理:
用Fe作电极进行电解,Fe被氧化生成Fe2+,Fe2+作还原剂把Cr2O
还原成毒性较低的Cr3+。
电解过程中,H+在阴极放电生成H2,使阴极附近溶液中的c(H+)]
考点3|金属的腐蚀与防护
[基础知识自查]
1.金属腐蚀的两种类型
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟具有腐蚀性的化学物质接触
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.钢铁电化学腐蚀的两种类型
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,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。
[应用体验]
实验探究(如图所示)
(1)若棉团浸有NH4Cl溶液,铁钉发生______________腐蚀,正极反应式为
____________________________________________,
右试管中现象是_____________________________________。
(2)若棉团浸有NaCl溶液,铁钉发生________腐蚀,正极反应式为_______,
右试管中现象是___________________________。
[提示]
(1)析氢 2H++2e-===H2↑ 有气泡冒出
(2)吸氧 O2+4e-+2H2O===4OH- 导管内液面上升
[考点多维探究]
角度1 析氢腐蚀与吸氧腐蚀的判断与原理分析
1.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处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
B.一段时间后,a管液面高于b管液面
C.a管发生吸氧腐蚀,b管发生析氢腐蚀
D.a、b两处具有相同的电极反应式:
Fe-2e-===Fe2+
A [左边是发生吸氧腐蚀,右边发生析氢腐蚀。
a处氧气得电子和水反应生成氢氧根离子,铁失电子生成二价铁离子,氢氧根离子和二价铁离子反应生成氢氧化亚铁沉淀,所以溶液的pH值变化不大,b处氢离子发生还原反应生成氢气,溶液的pH增大,故A错误。
]
2.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。
(