高考化学大一轮复习配套讲义电解池 金属的电化学腐蚀与防护研考点认知层层递进 析考题能力步步提高.docx
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第三节 电解池 金属的电化学腐蚀与防护
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了解电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。
理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
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
在此过程中,电能转化为化学能。
2.电解池
(1)电解池的构成条件:
①有与电源相连的两个电极。
②两个电极插入电解质溶液(或熔融盐)中。
③形成闭合回路。
(2)电极名称及电极反应式
以用惰性电极电解CuCl2溶液为例:
总反应方程式:
CuCl2电解,Cu+Cl2↑
(3)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。
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.电解产物的判断及有关反应式的书写
(1)判断电解池的阴、阳极
①根据外接电源的正负极判断
电源正极连接阳极;电源负极连接阴极。
②根据电极产物判断
电极溶解、逸出O2(或极区变酸性)或逸出Cl2的为阳极;
析出金属、逸出H2(或极区变碱性)的为阴极。
(2)分析电解质水溶液的组成
找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)排出阴、阳两极的放电顺序
阳极
惰性电极(Pt、Au、石墨等):
S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根阴极
(4)写出两极电极反应
①阳极:
活性电极失去电子生成相应的金属阳离子;溶液中的阴离子失去电子生成相应的单质或高价化合物。
②阴极:
溶液中的阳离子得到电子生成相应的单质或低价化合物。
(5)写出电解总反应式
在两极转移电子数目相同的前提下,两极反应相加即可得总反应的化学方程式或离子方程式。
4.电解规律
(1)电解水型
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解
物质
总反应式
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↑
水
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
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解
物质
总反应式
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
Cl2↑+H2↑
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)放H2生碱型
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解物
质
总反应式
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
(4)放O2生酸型
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解
物质
总反应式
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-===O2↑+2H2O
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
1.电解时电子通过电解质溶液吗?
提示:
电解质溶液通电电解时,在外电路中有电流(电子)通过,而溶液中是依靠离子定向移动,形成了闭合电路。
2.电解过程中放H2生碱型和放O2生酸型的实质是什么?
提示:
放H2生碱型的实质是水电离出的H+放电,破坏了水的电离平衡,使OH-浓度增大,放O2生酸型的实质是水电离出的OH-放电,破坏了水的电离平衡,使H+浓度增大。
3.
(1)上表中要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?
(2)上表中要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
提示:
电解质溶液的复原应遵循“从溶液中析出什么补什么”的原则,即从溶液中析出哪种元素的原子,则应按比例补入哪些原子。
(1)电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2,所以应通入氯化氢气体,加入盐酸会引入过多的水。
(2)同理,使CuSO4溶液复原应加入CuO或CuCO3,而加入Cu(OH)2也会使溶液的浓度降低。
命题角度一 电极反应式、电解总反应式的书写
[典例1] 按要求书写有关的电极反应式及总反应式。
(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)用铜作电极电解NaCl溶液
阳极反应式___________________________________________________________;
阴极反应式__________________________________________________________;
总化学方程式__________________________________________________________。
(4)用铜作电极电解盐酸溶液
阳极反应式____________________________________________________________;
阴极反应式____________________________________________________________;
总反应离子方程式______________________________________________________。
[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)Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
Cu+2H2O
Cu(OH)2↓+H2↑
(4)Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
Cu+2H+
Cu2++H2↑
1.用惰性电极电解NaCl和CuSO4的混合溶液,电解过程中两极均有两种产物产生,判断阴、阳两极的产物并写出电极反应方程式。
(1)阳极
产物:
;
电极反应:
_____________________________________________________________。
(2)阴极
产物:
;
电极反应:
___________________________________________________________。
答案:
(1)Cl2、O2 2Cl--2e-===Cl2↑、4OH--4e-===2H2O+O2↑
(2)Cu、H2 Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑
【总结提升】
电解池中方程式书写四个常见失分点的规避
(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)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。
(3)要确保两极电子转移数目相同,且注明条件“电解”。
(4)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。
命题角度二 电解原理、电解规律的考查
[典例2] 用铂电极电解一定浓度的下列物质的水溶液,在电解后的电解液中加适量水,能使溶液浓度恢复到电解前浓度的是( )
A.NaCl B.Na2CO3 C.CuSO4 D.K2S
[解析] 加适量水能使溶液恢复到电解前的浓度,则实际是电解水,故只有B项符合条件。
[答案] B
2.
某中学学生在高三毕业典礼晚会上设计了一个“黑笔写红字”的趣味实验。
滤纸先用氯化钠、无色酚酞的混合液浸湿,然后平铺在一块铂片上,接通电源后,用铅笔在滤纸上写字,会出现红色字迹。
据此,下列叙述正确的是( )
A.铅笔端作阳极,发生还原反应
B.铂片端作阴极,发生氧化反应
C.铅笔端有少量的氯气产生
D.a点是负极,b点是正极
解析:
选D 本题实际是对以铂片、铅笔(石墨)为电极电解NaCl的实验的讨论。
在电解时铅笔作阴极连在电源的负极。
铅笔这一极的电极反应式为2H2O+2e-===2OH-+H2↑(或2H++2e-===H2↑),这样在铅笔走过的地方就有较多的OH-产生,所以会出现红色字迹。
综合分析知D正确。
3.某电解池内盛有CuSO4溶液,插入两根电极,接通直流电源后,欲达到如下要求:
①阳极质量不变;②阴极质量增加;③电解液pH减小,则应选用的电极是( )
A.阴阳两极不都是石墨
B.铜作阳极,铁作阴极
C.铁作阳极,铜作阴极
D.铂作阳极,铜作阴极
解析:
选D 不管用何材料作阴极都不影响电解结果,阴极只是完成导电作用即可。
电解时生成H2SO4,pH一定会减小;要保持阳极质量不变,需要用惰性材料作电极,如石墨或铂。
电解过程中溶液pH的变化规律
(1)电解时,只生成H2而不生成O2,则溶液的pH增大。
(2)电解时,只生成O2而不生成H2,则溶液的pH减小。
(3)电解时,既生成H2又生成O2,则实际为电解H2O。
若原溶液为酸性溶液,则溶液的pH减小;
若原溶液为碱性溶液,则溶液的pH增大;
若原溶液为中性溶液,则溶液的pH不变。
1.
(2013·北京高考)用石墨电极电解CuCl2溶液(见图)。
下列分析正确的是( )
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生的反应:
Cu2++2e-===Cu
D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
解析:
选A 本题考查电解原理及其应用,意在考查考生对装置图的分析能力及对电解原理的理解能力。
通过图中离子的运动状态可判断连接a的为阴极,连接b的为阳极,故a端为直流电源的负极,b端为直流电源的正极,A正确;CuCl2在水溶液中就能发生电离,而不是通电的结果,B错误;阳极发生氧化反应,即2Cl--2e-===Cl2↑,C错误;阴极发生还原反应,析出Cu,阳极发生氧化反应,在阳极附近可观察到黄绿色气体,D错误。
2.(2013·浙江高考)
电解装置如图所示,电解槽内装有KI及淀粉溶液,中间用阴离子交换膜隔开。
在一定的电压下通电,发现左侧溶液变蓝色,一段时间后,蓝色逐渐变浅。
已知:
3I2+6OH-===IO
+5I-+3H2O
下列说法不正确的是( )
A.右侧发生的电极反应式:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.电解结束后,右侧溶液中含有IO
C.电解槽内发生反应的总化学方程式:
KI+3H2O
KIO3+3H2↑
D.如果用阳离子交换膜代替阴离子交换膜,电解槽内发生的总化学反应不变
解析:
选D 本题考查了电化学知识,意在考查考生对新型电池的分析能力。
装置图中左侧电极为阳极,I-失去电子生成I2,右侧电极为阴极,H2O得到电子生成H2,A、C正确;电解结束后,左侧溶液中的IO
经阴离子交换膜进入右侧,B正确;D项,如果将阴离子交换膜换为阳离子交换膜,那么阴极产生的OH-不会与I2发生反应,故电解槽内发生的总化学反应要变化,D错误。
3.(2012·海南高考)下列各组中,每种电解质溶液电解时只生成氢气和氧气的是( )
A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2 B.NaOH、CuSO4、H2SO4
C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
解析:
选C 电解时只生成氢气和氧气,则电解质所含的阳离子在金属活动性顺序表中铜之前,阴离子不能是简单离子;电解HCl的方程式为:
2HCl
Cl2↑+H2↑,A错误;电解CuSO4溶液的方程式为:
2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,B错误;电解NaBr的方程式为:
2NaBr+2H2O
2NaOH+H2↑+Br2,D错误。
4.(2011·全国高考)用石墨作电极电解CuSO4溶液。
通电一段时间后,欲使电解液恢复到起始状态,应向溶液中加入适量的( )
A.CuSO4B.H2O
C.CuOD.CuSO4·5H2O
解析:
选C 用石墨作电极电解CuSO4溶液的电解方程式是2CuSO4+2H2O
2H2SO4+2Cu+O2↑,根据缺什么补什么的原则,故C正确。
5.(2011·上海高考)用电解法提取氯化铜废液中的铜,方案正确的是( )
A.用铜片连接电源的正极,另一电极用铂片
B.用碳棒连接电源的正极,另一电极用铜片
C.用氢氧化钠溶液吸收阴极产物
D.用带火星的木条检验阳极产物
解析:
选B 用电解法提取氯化铜废液中的铜时,铜必须作阴极,阳极可用惰性电极,阴极的反应式为Cu2++2e-===Cu,阳极的反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。
6.
(1)(2013·福建高考节选)利用化石燃料开采、加工过程产生的H2S废气制取氢气,既价廉又环保。
利用H2S废气制取氢气的方法有多种。
电化学法制氢过程的示意图如下。
反应池中反应物的流向采用气、液逆流方式,其目的是________________________;反应池中发生反应的化学方程式为________________________。
反应后的溶液进入电解池,电解总反应的离子方程式为___________________________________________________________。
(2)(2011·四川高考节选)按如图电解NaCl的饱和溶液,写出该电解池中发生反应的总反应方程式:
______________________。
将充分电解后所得溶液逐滴加入到酚酞试液中,观察到得现象是________________________________________________________________。
解析:
(1)反应池中反应物的流向采用气、液逆流方式,目的是为了增大反应物的接触面积,加快反应速率,使反应更充分。
反应池中通入H2S、FeCl3溶液后生成了硫沉淀,所以在沉淀池中发生了氧化还原反应:
H2S+2FeCl3===2FeCl2+S↓+2HCl。
反应后的溶液进入电解池后生成了Fe3+和H2,说明溶液中Fe2+被氧化为Fe3+,H+被还原为H2,所以电解总反应的离子方程式为2Fe2++2H+
2Fe3++H2↑。
(2)用石墨作阳极电解饱和浓盐水:
阳极(C):
2Cl--2e-===Cl2↑,
阴极(Fe):
2H++2e-===H2↑,
阳极产生的Cl2与NaOH溶液发生反应:
Cl2+2NaOH===NaCl+NaClO+H2O。
故总反应式为NaCl+H2O
NaClO+H2↑。
由于NaClO具有强氧化性,则将NaClO溶液滴到酚酞试液中,先出现红色,然后红色消失。
答案:
(1)增大反应物接触面积,使反应更充分
H2S+2FeCl3===2FeCl2+S↓+2HCl
2Fe2++2H+
2Fe3++H2↑
(2)NaCl+H2O
NaClO+H2↑ 先出现红色,然后红色消失
考点二 电解原理的应用
1.电解饱和食盐水
(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)
(2)总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
离子方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)应用:
氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。
2.电镀和电解精炼铜
电镀
(Fe上镀Cu)
电解精炼铜
阳极
电极材料
镀层金属铜
粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质)
电极反应
Cu-2e-===Cu2+
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e-===Fe2+
Ni-2e-===Ni2+
阴极
电极材料
待镀金属Fe
纯铜
电极反应
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液
含Cu2+的盐溶液
注:
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
3.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)冶炼镁
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
电极反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极:
Mg2++2e-===Mg。
(3)冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;阴极:
4Al3++12e-===4Al。
1.电镀铜时,Cu2+浓度如何改变?
电解精炼铜时,CuSO4溶液的浓度是否改变?
提示:
电镀铜时,电解质溶液中的Cu2+浓度不变;电解精炼铜时,粗铜中的Zn、Fe、Ni等比Cu活泼的金属在阳极失去电子,阴极上只有Cu2+得电子,所以CuSO4溶液的浓度会降低。
2.电解精炼铜时,阳极泥是怎样形成的?
提示:
粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种金属杂质,当含杂质的铜在阳极不断溶解时,金属活动性位于铜之前的金属杂质,如Zn、Fe、Ni等也会同时失去电子。
金属活动性位于铜之后的银、金等杂质,因为失去电子的能力比铜弱,难以在阳极失去电子变成阳离子而溶解,所以当阳极的铜等失去电子变成阳离子溶解之后,银、金等杂质以金属单质的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥。
1.下列描述中,不符合生产实际的是( )
A.电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极
B.电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
C.电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
D.在镀件上电镀锌,用锌作阳极
解析:
选A B、C、D中的描述都是正确的。
而电解熔融的氧化铝制取金属铝,是用石墨作阳极。
2.(2014·吉安模拟)乙醛酸(OHCCOOH)是合成名贵高档香料乙基香兰素的原料之一,可用草酸(HOOCCOOH)电解制备,装置如图所示。
下列说法正确的是( )
A.电解时石墨电极应与直流电源的负极相连
B.阴极反式为:
HOOCCOOH+2H++2e-===OHCCOOH+H2O
C.电解时石墨电极上有H2放出
D.电解一段时间后,硫酸溶液的pH不变化
解析:
选B 电解时阴极(复合膜电极)反应式为:
HOOCCOOH+2H++2e-===OHCCOOH+H2O,阳极(石墨)反应式为4OH--4e-===O2↑+4H2O。
电解一段时间后,硫酸溶液的浓度增大,pH降低。
1.(2011·山东高考)以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌,下列说法正确的是( )
A.未通电前上述镀锌装置可构成原电池,电镀过程是该原电池的充电过程
B.因部分电能转化为热能,电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系
C.电镀时保持电流恒定,升高温度不改变电解反应速率
D.镀锌层破损后对铁制品失去保护作用
解析:
选C 电镀时,通常把待镀的金属制品作阴极,把镀层金属作阳极,用含有镀层金属离子的溶液作电镀液。
因此在铁制品上镀锌时,铁作阴极,锌作阳极,由于锌比铁活泼,因此未通电前可以构成原电池,但此时锌作负极失去电子,铁作正极,而电镀时锌仍然失电子,A错误;在氧化还原反应中必需满足得失电子守恒,因此电镀时通过的电量与锌的析出量有确定关系而与能量变化无关,B错误;由于电镀时保持电流恒定,因此导线中通过的电子速率是不变的,故升高温度不能改变电解反应速率,C正确;镀锌层破损后,由于锌比铁活泼,所以即使发生电化学腐蚀也是锌失去电子而保护了铁,D错误。
2.(2013·山东高考)金属冶炼与处理常涉及氧化还原反应。
(1)由下列物质冶炼相应金属时采用电解法的是________。
a.Fe2O3 b.NaCl c.Cu2S d.Al2O3
(2)辉铜矿(Cu2S)可发生反应:
2Cu2S+2H2SO4+5O2===4CuSO4+2H2O,该反应的还原剂是________。
当1molO2发生反应时,还原剂所失电子的物质的量为________mol。
向CuSO4溶液中加入镁条时有气体生成,该气体是________。
(3)如图为电解精炼银的示意图,________(填“a”或“b”)极为含有杂质的粗银,若b极有少量红棕色气体产生,则生成该气体的电极反应式为_________________________________。
(4)为处理银器表面的黑斑(Ag2S),将银器浸于铝质容器里的食盐水中并与铝接触,Ag2S转化为Ag,食盐水的作用是___________________________________________________。
解析:
(1)活泼性较强的金属采用电解法制取。
(2)对反应作电子转移分析如下:
2
+2H2SO4+5
2
+2H2
反应中铜、硫元素化合价升高,Cu2S作还原剂,由关系式5O2~20e-可知,1molO2反应时还原剂所失电子的物质的量为4mol。
CuSO4溶液水解呈酸性,故加入镁条产生气体为H2。
(3)电解精炼时阳极为含有杂质的金属,因此a极为粗银。
b极产生红棕色气体为NO2,则b电极的反应物为NO
,故其电极反应式为NO
+2H++e-===NO2↑+H2O。
(4)处理Ag2S时,采用原电池原理,食盐水充当电解质溶液。
答案:
(1)b、d
(2)Cu2S 4 H2 (3)a NO
+2H++e-===NO2+H2O (4)作电解质
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