高考化学一轮复习精品导学案专题63 电解池 金属的电化学腐蚀与防护解析版Word文档格式.docx
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CuCl2
加氯化铜
放H2生碱型
阴极:
H2O放H2生碱
阳极:
电解质阴离子放电
NaCl
和水
生成新
放O2生酸型
电解质阳离子放电
H2O放O2生酸
CuSO4
电解质和水
加氧化铜
或碳酸铜
二、电解原理的应用
1.氯碱工业
(1)概念:
用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、H2和Cl2,并以它们为原料生产一系列化工产品的工业,称为氯碱工业。
(2)原理
2.电镀与电解精炼铜
电镀
(Fe上镀Cu)
电解精炼铜
阳极
电极材料
铜
粗铜(含Zn、Fe、Ni、Ag、
Au等杂质)
电极反应
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e===Fe2+
Ni-2e-===Ni2+
阴极
铁
纯铜
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液
CuSO4溶液
注:
电解精炼铜时,粗铜中的Ag、Au等不反应,沉在电解池底部形成阳极泥
3.电冶金
利用电解熔融盐或氧化物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:
2Cl--2e-===Cl2↑;
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼铝:
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
6O2--12e-===3O2↑;
4Al3++12e-===4Al。
(3)冶炼镁:
MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑
2Cl--2e-===Cl2↑,阴极:
Mg2++2e-===Mg。
三、金属的腐蚀与防护
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
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
以钢铁的腐蚀为例实行分析:
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
水膜酸性较强(pH≤4.3)
水膜酸性很弱或呈中性
负极
Fe-2e-===Fe2+
正极
2H++2e-===H2↑
O2+2H2O+4e-===4OH-
总反应式
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
吸氧腐蚀更普遍
铁锈的形成:
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。
高频考点一电解原理和电解规律的考查
例1.下图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。
通电后在石墨电极a和b附近分别滴加几滴石蕊溶液。
下列实验现象描述准确的是()
A.逸出气体的体积,a电极的小于b电极的
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出刺激性气体
C.a电极附近呈红色,b电极附近呈蓝色
D.a电极附近呈蓝色,b电极附近呈红色
【答案】D
【解析】
【变式探究】以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水,关于两个电解池反应的说法准确的是()
A.阳极反应式相同
B.电解结束后所得液体的pH相同
C.阴极反应式相同
D.通过相同电量时生成的气体总体积相等(同温同压)
【答案】C
【解析】A项,以石墨为电极电解水,阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,以石墨为电极电解饱和食盐水,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,二者阳极电极反应式不同,故A错误;
B项,电解水溶液的pH不变,电解饱和氯化钠溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气,pH变大,所以电解结束后所得液体的pH不相同,故B错误;
C项,以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水阴极上都是2H++2e-===H2↑,所以阴极电极反应式相同,故C准确;
D项,设转移电子数为4mol,则依据电解方程式:
2H2O
2H2↑+O2↑~4e-,电解水生成3mol气体;
依据电解方程式2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑~2e-,电解食盐水生成4mol气体,故D错误。
高频考点二电解原理的“常规”应用
例2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。
下列说法准确的是()
A.氯碱工业中,X电极上反应式是4OH--4e-===2H2O+O2↑
B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变
C.在铁片上镀铜时,Y是纯铜
D.制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁
【变式探究】使用氯化钠作原料能够得到多种产品。
(1)实验室用惰性电极电解100mL0.1mol·
L-1NaCl溶液,若阴、阳两极均得到112mL气体(标准状况),则所得溶液的物质的量浓度是______________(忽略反应前后溶液体积的变化)。
(2)某学生想制作一种家用环保型消毒液发生器,用石墨作电极电解饱和氯化钠溶液,通电时,为使Cl2被完全吸收,制得有较强杀菌水平的消毒液,设计了如图的装置。
对电源电极名称和消毒液的主要成分判断准确的是________(填字母)。
A.a为正极,b为负极;
NaClO和NaCl
B.a为负极,b为正极;
C.a为阳极,b为阴极;
HClO和NaCl
D.a为阴极,b为阳极;
(3)实验室中很难用亚铁盐溶液与烧碱反应制得白色纯净的Fe(OH)2沉淀。
某同学利用上图装置,只更换一个电极,通过电解法制取较纯净的Fe(OH)2沉淀,且较长时间不变色。
该同学换上的电解材料是__________(用元素符号表示),总的反应式是_________________________________________________________。
【答案】
(1)0.1mol·
L-1
(2)B
(3)FeFe+2H2O
Fe(OH)2↓+H2↑
高频考点三根据总反应式,建立等量关系实行计算
例3.两个惰性电极插入500mLAgNO3溶液中,通电电解。
当电解液的pH从6.0变为3.0时(设电解过程中阴极没有H2放出,且电解液在电解前后体积变化能够忽略不计),电极上析出银的质量最大为()
A.27mgB.54mgC.106mgD.216mg
【答案】B
【解析】首先结合离子放电顺序,弄清楚两极的反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O;
4Ag++4e-===4Ag,电解的总反应式为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3。
由电解的总反应式可知,电解过程中生成的n(Ag)=n(HNO3)=n(H+)=(10-3mol·
L-1-10-6mol·
L-1)×
0.5L≈5×
10-4mol,m(Ag)=5×
10-4mol×
108g·
mol-1=0.054g=54mg。
【变式探究】将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中实行电解,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×
L-1
C.1×
L-1D.1×
10-7mol·
【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×
L-1。
高频考点四根据电子守恒,突破电解分阶段计算
例4.500mLKNO3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,下列说法准确的是()
A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·
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·
【解析】
【变式探究】用石墨作电极电解1000mL0.1mol·
L-1AgNO3溶液,通电一段时间后关闭电源,测得溶液的质量减少了13.4g。
下列相关叙述准确的是(NA代表阿伏加德罗常数的值)()
A.电解过程中流经外电路的电子数目为0.1NA
B.在标准状况下,两极共产生3.92L气体
C.电解后溶液的pH为2(假设溶液体积不变)
D.加入13.8gAg2CO3可将溶液彻底复原
高频考点五根据电子守恒,突破电解池的“串联”计算
例5.甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料。
下图是甲醇燃料电池工作的示意图,其中A、B、D均为石墨电极,C为铜电极。
工作一段时间后,断开K,此时A、B两极上产生的气体体积相同。
(1)甲中负极的电极反应式为________________。
(2)乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为______。
(3)丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如右图,则图中②线表示的是________的变化;
反应结束后,要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀,需要________mL5.0mol·
L-1NaOH溶液。
【答案】
(1)CH3OH-6e-+8OH-===CO
+6H2O
(2)2.24L(3)Fe2+280
反应前,丙装置中n(Fe3+)=0.4mol,n(Fe2+)=0.1mol,当电子转移0.4mol时,Fe3+完全反应,生成0.4molFe2+,则反应结束后,Fe2+的物质的量为0.5mol,Cu2+的物质的量为0.2mol,所以需要加入NaOH溶液1.4mol,所以NaOH溶液的体积为1.4mol÷
5mol·
L-1=0.28L=280mL。
高频考点六腐蚀快慢与防护方法的比较
例6.如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为()
A.②①③④⑤⑥B.⑤④③①②⑥
C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥
【变式探究】下列与金属腐蚀相关的说法,准确的是()
A.图1中,铁钉易被腐蚀
B.图2中,滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,没有蓝色沉淀出现
C.图3中,燃气灶的中心部位容易生锈,主要是因为高温下铁发生化学腐蚀
D.图4中,用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
【方法规律】
1.判断金属腐蚀快慢的规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率的快慢:
电解原理引起的腐蚀>
原电池原理引起的腐蚀>
化学腐蚀>
有防腐措施的腐蚀。
(2)对同一金属来说,在不同溶液中腐蚀速率的快慢:
强电解质溶液中>
弱电解质溶液中>
非电解质溶液中。
(3)活动性不同的两种金属,活动性差别越大,腐蚀速率越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀越快。
2.两种保护方法的比较
外加电流的阴极保护法保护效果大于牺牲阳极的阴极保护法。
3.根据介质判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀
准确判断“介质”溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。
潮湿的空气、酸性很弱或中性溶液发生吸氧腐蚀;
NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液发生析氢腐蚀。
高频考点七准确判断析氢腐蚀和吸氧腐蚀
例7.一定条件下,碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下表。
2
4
6
6.5
8
13.5
14
腐蚀快慢
较快
慢
主要产物
Fe2+
Fe3O4
Fe2O3
FeO
下列说法错误的是()
A.当pH<4时,碳钢主要发生析氢腐蚀
B.当pH>6时,碳钢主要发生吸氧腐蚀
C.当pH>14时,正极反应为O2+4H++4e-===2H2O
D.在煮沸除氧气后的碱性溶液中,碳钢腐蚀速率会减缓
【解析】C项应改为O2+4e-+2H2O===4OH-。
【变式探究】利用右图装置实行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封好,放置一段时间。
下列说法不准确的是()
A.a管发生吸氧腐蚀,b管发生析氢腐蚀
B.一段时间后,a管液面高于b管液面
C.a处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
D.a、b两处具有相同的电极反应式:
【答案】C
1.【2019年高考海南卷】某电池以K2FeO4和Zn为电极材料,KOH溶液为电解溶质溶液。
A.Zn为电池的负极
B.正极反应式为2FeO42−+10H++6e−=Fe2O3+5H2O
C.该电池放电过程中电解质溶液浓度不变
D.电池工作时
向负极迁移
【答案】AD
【解析】根据化合价升降判断,Zn化合价只能上升,故为负极材料,K2FeO4为正极材料,A准确;
KOH
溶液为电解质溶液,则正极反应式为2FeO42−+6e−+8H2O=2Fe(OH)3+10OH−,B错误;
该电池放电过程中电
解质溶液浓度减小,C错误;
电池工作时阴离子OH−向负极迁移,D准确。
2.【2019年高考新课标Ⅲ卷】锌–空气燃料电池可用作电动车动力电源,电池的电解质溶液为KOH溶液,反应为2Zn+O2+4OH–+2H2O===2Zn(OH)
。
A.充电时,电解质溶液中K+向阳极移动
B.充电时,电解质溶液中
逐渐减小
C.放电时,负极反应为:
Zn+4OH–-2e–===Zn(OH)
D.放电时,电路中通过2mol电子,消耗氧气22.4L(标准状况)
【答案】C
3.【2019年高考天津卷】
(14分)氢能是发展中的新能源,它的利用包括氢的制备、储存和应用三个环节。
回答下列问题:
(1)与汽油相比,氢气作为燃料的优点是_________(至少答出两点)。
但是氢气直接燃烧的能量转换率远低于燃料电池,写出碱性氢氧燃料电池的负极反应式:
____________。
(5)化工生产的副产氢也是氢气的来源。
电解法制取有广泛用途的Na2FeO4,同时获得氢气:
Fe+2H2O+2OH−
FeO42−+3H2↑,工作原理如图1所示。
装置通电后,铁电极附近生成紫红色的FeO42−,镍电极有气泡产生。
若氢氧化钠溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质。
已知:
Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
①电解一段时间后,c(OH−)降低的区域在_______(填“阴极室”或“阳极室”)。
②电解过程中,须将阴极产生的气体即时排出,其原因是_______。
③c(Na2FeO4)随初始c(NaOH)的变化如图2,任选M、N两点中的一点,分析c(Na2FeO4)低于最高值的原因:
_____________。
【答案】
(1)污染小;
可再生;
来源广;
资源丰富;
燃烧热值高;
H2+2OH--2e-=2H2O
(5)①阳极室
②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低
③M点:
c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢(或N点:
c(OH-)过高,铁电极上有氢氧化铁生成,使Na2FeO4产率降低)。
【解析】
(4)利用太阳能直接分解水制氢,是将光能转化为化学能,故答案为:
光能转化为化学能;
(5)①根据题意镍电极有气泡产生是氢离子放电生成氢气,铁电极发生氧化反应,溶液中的氢氧根离子减少,所以电解一段时间后,c(OH−)降低的区域在阳极室,故答案为:
阳极室;
②氢气具有还原性,根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
电解过程中,须将阴极产生的气体即时排出,防止Na2FeO4与H2反应使产率降低,故答案为:
防止Na2FeO4与H2反应使产率降低;
③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,在M点,c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢,在N点:
c(OH-)过高,铁电极上有氢氧化铁生成,使Na2FeO4产率降低,故答案为:
M点:
1.【2019浙江理综化学】在固态金属氧化物电解池中,高温共电解H2O—CO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式,基本原理如图所示。
A.X是电源的负极
B.阴极的反应式是:
H2O+2eˉ=H2+O2ˉ
CO2+2eˉ=CO+O2ˉ
C.总反应可表示为:
H2O+CO2
H2+CO+O2
D.阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1︰1
【答案】D
2.【2019四川理综化学】用右图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液PH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,下列说法不准确的是()
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
3.【2019福建理综化学】某模拟"
人工树叶”电化学实验装置如右图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
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+16H+-18e-=C3H8O+4H2O
【答案】B
【解析】A.根据图示可知,该装置将电能和光能转化为化学能,错误。
B.根据同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引的原则,该装置工作时,H+从正电荷较多的阳极b极区向负电荷较多的阴极a极区迁移,准确。
C.该反应的总方程式是:
6CO2+8H2O=2C3H8O+9O2。
根据反应方程式可知,每生成1molO2,有2/3molCO2被还原,其质量是88/3g,错误。
D.根据图示可知与电源负极连接的a电极为阴极,发生还原反应,电极的反应式为:
3CO2+18H++18e-=C3H8O+5H2O,错误。
4.【2019上海化学】研究电化学腐蚀及防护的装置如右图所示。
下列相关说法错误的是()
A.d为石墨,铁片腐蚀加快
B.d为石墨,石墨上电极反应为:
O2+2H2O+4e→4OH–
C.d为锌块,铁片不易被腐蚀
D.d为锌块,铁片上电极反应为:
2H++2e→H2↑
5.【2019上海化学】
(本题共12分)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。
完成下列填空:
(1)写出电解饱和食盐水的离子方程式。
(2)离子交换膜的作用为:
、。
(3)精制饱和食盐水从图中位置补充,氢氧化钠溶液从图中位置流出。
(选填“a”、“b”、“c”或“d”)
(4)KClO3能够和草酸(H2C2O4)、硫酸反应生成高效的消毒杀菌剂ClO2,还生成CO2和KHSO4等物质。
写出该反应的化学方程式。
(5)室温下,0.1mol/LNaClO溶液的pH0.1mol/LNa2SO3溶液的pH。
(选填“大于”、“小于”或“等于”)。
浓度均为0.1mol/L的Na2SO3和Na2CO3的混合溶液中,SO32–、CO32–、HSO3–、HCO3–浓度从大到小的顺序为。
H2SO3Ki1=1.54×
10-2Ki2=1.02×
10-7
HClOKi1=2.95×
10-8
H2CO3Ki1=4.3×
10-7Ki2=5.6×
10-11
(1)2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
(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)a;
d;
(4)2KClO3+H2C2O4+2H2SO4=2ClO2+2CO2+2KHSO4+2H2O.
(5)大于;
SO32–>
CO32–>
HCO3–>
HSO3–。
(1)电解饱和食盐水时,溶液中的阳离子H+在阴极得到电子变为H2逸出,使附近的水溶液显碱性,溶液中的阴离子Cl-在阳极失去电子,发生氧化反应。
产生Cl2。
反应的离子方程式是2Cl-+2H2O
(2)图中的离子交换膜只允许阳离子通,是阳离子交换膜,能够允许阳离子通过,不能使阴离子通过,这样就能够阻止阴极溶液中的OH-进入阳极室,与氯气发生反应,阻止Cl-进入阴极室,使在阴极区产生的NaOH纯度更高。
同时能够阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
(3)随着电解的实行,溶质NaCl持续消耗,所以应该即时补充。
精制饱和食盐水从与阳极连接的图中a位置补充,因为阴极H+持续放电,附近的溶液显碱性,氢氧化钠溶液从图中d位置流出
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