版高考化学复习第1部分专题6第3单元电解池金属的腐蚀与防护教案苏教版.docx
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版高考化学复习第1部分专题6第3单元电解池金属的腐蚀与防护教案苏教版
电解池 金属的腐蚀与防护
考纲定位
核心素养
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。
1.变化观念——认识物质的变化是有条件(如电解反应需通电),关注化学变化中的能量转化,电解反应体现了电能转化为化学能。
2.模型认知——认识电解池的构成工作原理及电极反应的书写模板。
3.社会责任——深刻理解电化学与科技、生产、生活、环境之间的关系,理解电化学(电解)对社会发展的重大贡献。
考点一|电解原理及其规律
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。
提醒:
电解与电离的区别
(1)电解需通电才能进行而电离不需通电就能进行;
(2)电解是化学过程;而电离是在水中或熔融状态断键离解为离子,属于物理过程。
2.电解池及其工作原理
(1)概念:
电解池是把电能转化为化学能的装置。
(2)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。
(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
(4)电解池中电子和离子的移动
①电子:
从电源负极流出后,流向电解池阴极;从电解池的阳极流向电源的正极。
电子不能通过电解质溶液。
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电流:
从电源的正极流出,流入阳极,再通过电解质溶液流入阴极,最后流向负极。
(5)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+。
②阳极:
金属(Au、Pt除外)电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
提醒:
(1)阳极材料若为金属电极(Au、Pt除外),电极金属失电子发生氧化反应,而介质中的阴离子不反应;
(2)阴极材料若为金属电极,只是增强导电性但不参与反应。
[深度归纳] 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)。
(6)根据反应类型:
阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。
3.以惰性电极电解水溶液的有关规律
(1)电解水型——含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐
①阴极反应式为4H++4e-===2H2↑,阳极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,总方程式为2H2O
2H2↑+O2↑。
②电解质浓度变大,pH可能变大、变小或不变,可加H2O复原。
(2)电解电解质类型——无氧酸(如HCl),不活泼金属无氧酸盐(CuCl2)
电解质浓度变小,加电解质本身复原。
(3)放H2生碱型——活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
①阴极反应式为2H++2e-===H2↑,阳极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,总方程式为2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
②溶液pH变大,加HCl(卤化氢)复原。
(4)放O2生酸型——不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
①阴极反应式为2Cu2++4e-===2Cu,阳极反应式为4OH--4e-===O2↑+2H2O,总方程式为2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+。
②溶液pH变小,加CuO(金属氧化物)或CuCO3复原。
[深度归纳] 电极反应式和电解方程式的书写要点
(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+)。
②二看电解质,电解质是否参与电极反应。
③三看电解质状态,是熔融状态,还是水溶液。
(2)规避“两个”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,且注明“电解”条件。
②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。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)利用电解法可以实现2Ag+2H+===2Ag++H2↑。
( )
(2)电解时电子流向为负极→阴极→电解质→阳极→正极。
( )
(3)用惰性电极电解足量CuSO4溶液一段时间后,加入Cu(OH)2或CuO均可使电解质溶液恢复到电解前的状况。
( )
(4)惰性电极电解Na2SO4溶液和Na2CO3溶液的过程中pH均不变。
( )
答案:
(1)√
(2)× (3)× (4)×
2.按要求书写方程式。
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
___________________________________________;
阴极反应式:
___________________________________________;
总反应式:
_____________________________________________。
(2)用惰性电极电解2mol·L-1NaCl和1mol·L-1CuSO4的混合溶液,电解过程明显分两个阶段。
第一阶段:
阴极反应式____________,阳极反应式___________。
第二阶段:
阴极反应式____________,阳极反应式___________。
答案:
(1)2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)Cu2++2e-===Cu 2Cl--2e-===Cl2↑
4H++4e-===2H2↑ 4OH--4e-===2H2O+O2↑
考法1 电解原理及其规律
1.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。
]
2.(2019·甘肃名校联考)电-Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,其反应原理如图所示(酸性介质)。
其中电解产生的H2O2与Fe2+发生Fenton反应:
Fe2++H2O2===Fe3++OH-+·OH,生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。
下列说法不正确的是( )
A.电源的B极是正极
B.电解时阴极周围溶液的pH增大
C.阴极上发生的电极反应为O2+2e-+2H+===H2O2
D.若产生4mol羟基自由基(·OH),则消耗22.4LO2
D [O2在电解池的左侧得电子生成H2O2,所以A极为负极,B极为正极,A项正确;阴极上O2+2e-+2H+===H2O2,电解质溶液的pH增大,B、C项正确;D项,没有指明温度和压强,不能确定氧气的体积,D项错误。
]
3.(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( )
图甲 图乙
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.P点前后,M极反应式均为4OH--4e-===O2↑+2H2O
D.若M电极材料换成Cu,则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
A [A点所得溶液是电解CuSO4和H2O两过程所得溶液,根据“少什么补什么”原则,应加CuO和H2O,A错误。
]
考法2 电化学基本计算——电子守恒法
4.500mLNaNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO
)=0.3mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到气体1.12L(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(Na+)=0.2mol·L-1
B.电解后溶液中c(H+)=0.2mol·L-1
C.上述电解过程中共转移0.4mol电子
D.电解后溶液复原时需加入4gCuO
B [两极均收集1.12L气体(标准状况下)―→
―→转移电子为0.2mol⇒n(Cu2+)=0.05mol,n(H+)=0.1mol
n(Na+)=0.05mol。
复原时需加CuO:
0.05×80g=4g和H2O:
0.05×18g=0.9g 或加Cu(OH)24.9g。
]
5.(2019·大连模拟)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液,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
C [Cu2(OH)2CO3可改写为2CuO·H2O·CO2,因反应后生成的CO2离开溶液,所以加入0.1molCu2(OH)2CO3相当于加入0.2molCuO、0.1molH2O,根据
2Cu ~ O2 ~ 4e-
2mol 4mol
0.2mol 0.4mol
2H2O ~ O2 ~ 4e-
2mol 4mol
0.1mol 0.2mol
转移电子的物质的量=0.4mol+0.2mol=0.6mol。
]
6.(2019·唐山模拟)某科研小组将含硫化氢的工业废气进行了资源化利用,将获得的电能用于制取“84”消毒液。
已知:
2H2S(g)+O2(g)===S2(s)+2H2O(l) ΔH=-632kJ·mol-1。
下图为该小组设计的原理图。
下列说法正确的是( )
A.电极a为燃料电池正极
B.电极b上发生的电极反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
C.电路中每流过4mol电子,电池内部释放热能小于632kJ
D.a极每增重32g,导气管e将收集到气体11.2L(标准状况下)
C [电极a上H2S转化为S2,发生氧化反应,为燃料电池的负极,A项错误;电极b上O2转化为H2O,电极反应为O2+4e-+4H+===2H2O,B项错误;电路中每流过4mol电子,消耗1molO2,但该装置将化学能转化为电能,电池内部基本上不放出热量,故释放热能小于632kJ,C项正确;a极为负极,电极反应为2H2S-4e-===4H++S2,电极c为阴极,电极反应为2H++2e-===H2↑,根据各电极上转移电子数目相等,可得关系式:
S2~2H2,故导气管e收集到的H2在标准状况下的体积为
×2×22.4L·mol-1=22.4L,D项错误。
]
考点二|电解原理的实际应用
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↑。
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
①阳离子交换膜的作用
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。
②a、b、c、d加入或取出的物质分别是饱和食盐水、稀NaOH溶液、稀的食盐水、浓NaOH溶液;X、Y分别是Cl2、H2。
2.电镀银与电解精炼铜
(1)电镀银
(2)电解精炼铜
提醒:
(1)电解精炼铜时,粗铜中的Ag、Au等不反应,沉积在电解池底部形成阳极泥;
(2)电镀银时,电解质溶液中c(Ag+)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。
(1)电解熔融氯化钠得到钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
(2)电解熔融Al2O3制Al
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;
阴极:
4Al3++12e-===4Al。
冰晶石的作用是作Al2O3的助熔剂。
提醒:
(1)电解熔融MgCl2冶炼镁,而不电解熔融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。
正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。
( )
(2)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。
( )
(3)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。
( )
(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3。
( )
(5)粗铜电解精炼时,若电路中通过2mole-,阳极减少64g。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)× (5)×
考法1 电解原理的常规应用
1.(2018·合肥一模)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。
可电解LiCl溶液制备LiOH,装置如图所示。
下列说法正确的是( )
A.惰性电极B连接电源正极
B.A极区电解液为LiCl溶液
C.阳极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.每生成1molH2,有1molLi+通过阳离子交换膜
B [B极区产生H2,同时生成LiOH,故B极区电解液为LiOH溶液,惰性电极B上水电离出的H+发生还原反应生成H2,惰性电极B为阴极,与电源负极相连,A项错误;惰性电极A为阳极,阳极上Cl-发生氧化反应,A极区电解液为LiCl溶液,B项正确;阳极上Cl-发生氧化反应:
2Cl--2e-===Cl2↑,C项错误;每生成1molH2,转移2mol电子,则有2molLi+通过阳离子交换膜,D项错误。
]
2.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,则阴极反应式为________________
________________________________________________________。
解析:
在钢制品上电镀铝,故钢制品应作阴极,与电源的负极相连;因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”,Al元素在熔融盐中以Al2Cl
和AlCl
形式存在,则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
;在水溶液中,得电子能力:
H+>Al3+,故阴极上发生的反应是2H++2e-===H2↑。
答案:
负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
2H++2e-===H2↑
考法2 电解原理在物质制备、环境治理方面的应用
3.(2019·蓉城模拟)重铬酸钾是化学实验室中的一种重要分析试剂。
工业上以铬酸钾(K2CrO4)(黄色)为原料,采用电化学法制备重铬酸钾(K2Cr2O7)(橙色)。
制备装置如图所示。
下列说法错误的是( )
A.阳极室中溶液的颜色逐渐由黄色变为橙色,其原理为2CrO
+2H+===Cr2O
+H2O
B.电解过程中阳极附近溶液的pH变小,其原理为2H2O+4e-===O2↑+
4H+
C.K2CrO4在阳极区被氧化成K2Cr2O7
D.阴极每生成1mol气体,有2mol带正电荷的阳离子从阳极室移向阴极室
C [结合题给装置可判断惰性电极为阳极,不锈钢电极为阴极;阳极室中K2CrO4转化为K2Cr2O7,溶液由黄色逐渐变为橙色,A项正确;阳极室发生氧化反应,OH-失电子放电,电极反应式为2H2O-4e-===4H++O2↑,阳极附近溶液pH逐渐减小,B项正确;阳极室中H+浓度增大,促使发生反应:
2CrO
+2H+
Cr2O
+H2O,反应前后Cr元素化合价没有发生变化,C项错误;阴极的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,每生成1molH2转移2mol电子,为保持溶液呈电中性,有2molK+从阳极室向阴极室移动,D项正确。
]
4.(2019·惠州模拟)化学在环境保护中起着十分重要的作用,电化学降解NO
的原理如图所示。
下列说法不正确的是( )
A.A为电源的正极
B.溶液中H+从阳极向阴极迁移
C.AgPt电极的电极反应式为2NO
+12H++10e-===N2↑+6H2O
D.电解过程中,每转移2mol电子,则左侧电极就产生32gO2
D [根据题给电解装置图可知,AgPt电极上NO
转化为N2,发生还原反应:
2NO
+10e-+12H+===N2↑+6H2O,则AgPt电极作阴极,B为电源的负极,故A为电源的正极,A、C项正确;在电解池中阳离子向阴极移动,所以溶液中H+从阳极向阴极迁移,B项正确;左侧电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,则每转移2mol电子,左侧电极产生16gO2,D项错误。
]
5.(2019·滁州模拟)常温下,NCl3是一种黄色黏稠状液体,是制备新型水消毒剂ClO2的原料,可以采用如图所示装置制备NCl3。
下列说法正确的是( )
A.每生成1molNCl3,理论上有4molH+经质子交换膜从右侧向左侧迁移
B.可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C.石墨极的电极反应式为NH
+3Cl--6e-===NCl3+4H+
D.电解过程中,质子交换膜右侧溶液的pH会减小
C [A项,每生成1molNCl3,转移6mole-,理论上有6molH+经质子交换膜从右侧向左侧迁移,A错误;B项,M为H2,不能用湿润的淀粉KI试纸检验,B错误;D项,右侧pH会增大,D错误。
]
考点三|金属的腐蚀与防护
1.金属的腐蚀
(1)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。
可表示为M-ne-===Mn+。
(2)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.电化学腐蚀的分类
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),如NH4Cl溶液
水膜酸性很弱或呈中性,如NaCl溶液
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
提醒:
铁锈的成分为Fe2O3·xH2O,其形成过程还涉及如下反应:
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3;
2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。
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。
提醒:
牺牲阳极的阴极保护法中所说的阳极是指原电池的负极,即发生氧化反应的电极常称为阳极。
[深度归纳] 判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢:
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,活泼性差异越大,腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
1.正误判断(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。
( )
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均可以发生析氢腐蚀。
( )
(3)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用。
( )
(4)地下钢管可以通过地下连接铜板以防止钢管被腐蚀。
( )
答案:
(1)×
(2)× (3)× (4)×
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。
(1)开始时,生铁发生________腐蚀,负极反应式为_____________
________________________________________________________。
(2)一段时间后,生铁发生______________腐蚀,正极反应式为____
________________________________________________________,
具支试管内雨水的pH的变化情况为________________________。
答案:
(1)析氢 Fe-2e-===Fe2+
(2)吸氧 O2+2H2O+4e-===4OH- 增大
考法☆ 金属的腐蚀与防护
1.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁(含杂质C)在其中被腐蚀由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④③①②⑥
C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥
C [①②③④是原电池,⑤⑥是电解池,金属被腐蚀由快到慢的顺序是:
电解池的阳极>原电池的负极>化学腐蚀>原电池的正极>电解池的阴极。
]
2.(2019·山西