届一轮复习人教版 电解池 金属的电化学腐蚀与防护 学案.docx
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届一轮复习人教版电解池金属的电化学腐蚀与防护学案
第六章 化学反应与能量
考点一 电解原理
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形成闭合回路。
(2)电极名称及电极反应式(如图)
(3)电子和离子的移动方向
①电子:
从电源负极流向电解池的阴极;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。
4.分析电解过程的思维程序
(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(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
(3)然后排出阴、阳两极的放电顺序
阴极:
最常用的阳离子放电顺序:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+。
阳极:
活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
(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。
5.惰性电极的电解规律
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
1.电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程。
( √ )
2.某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现。
( √ )
3.电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。
( × )
4.电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。
( × )
5.电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。
( × )
6.用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后加入Cu(OH)2一定可使电解质溶液恢复到电解前状态。
( × )
1.“电子不下水,离子不上岸”
即:
电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。
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.电解水溶液时,K+~Al3+不可能在阴极放电,即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
4.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。
一、电解原理和电解规律
1.如图中两烧杯盛有相同电解质溶液,X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a极板质量增加。
b极板处有无色无味气体放出,符合这一情况的是( )
a电极
b电极
X电极
溶液
A
锌
石墨
负极
CuSO4
B
石墨
石墨
正极
NaOH
C
银
铁
负极
AgNO3
D
石墨
铜
正极
NaNO3
解析:
由通电后a、b两极的现象知,X为负极,Y为正极,故B、D错误;b为阳极,A项中的阳极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O,C项中的阳极发生反应:
Fe-2e-===Fe2+,结合b极板处有无色无味气体放出,则A正确,C错误。
答案:
A
2.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。
下列实验现象描述正确的是( )
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
解析:
SO
、OH-移向b极,在b极OH-放电,产生O2,b极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红。
Na+、H+移向a极,在a极H+放电产生H2,a极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝。
所以产生的气体体积a电极的大于b电极的;两种气体均为无色无味的气体。
A、B、C均错。
答案:
D
3.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.电解结束时,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:
本题考查电解基本原理,包括电极反应式的书写,电解总反应的判断等。
根据题干信息可知,图中左侧为阳极,右侧为阴极。
A项,图中右侧为阴极,发生还原反应,有H2生成,电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,正确;B项,电解过程中阳极生成的I2会被溶液中的OH-消耗而生成IO
,该阴离子可通过阴离子交换膜而进入右侧溶液,正确;C项,电解最终生成物为H2和KIO3,正确;D项,若用阳离子交换膜,则右侧生成的OH-就不能进入左侧溶液中,也就阻止了I2与OH-的反应,所以总反应不同,错误。
答案:
D
4.用惰性电极电解物质的量浓度为1∶3的CuSO4和NaCl的混合溶液,可能发生的反应有( )
①2Cu2++2H2O
2Cu+4H++O2↑
②Cu2++2Cl-
Cu+Cl2↑
③2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
④2H2O
2H2↑+O2↑
A.①②③B.①②④
C.②③④D.②④
解析:
由放电顺序Cl->OH->SO
,Cu2+>H+>Na+知,开始是Cl-和Cu2+分别在两极放电,此时相当于电解CuCl2溶液,故②正确,①错误;由n(Cu2+)∶n(Cl-)=1∶3,当Cu2+全部放电,溶液中还有Cl-,此时若继续电解,则是电解NaCl溶液,故③正确;当Cl-全部放电后再继续电解,则是电解Na2SO4和NaOH的混合溶液,其实质是电解水,故④正确。
答案:
C
5.双隔膜电解池的结构示意简图如图所示,利用该装置可以电解硫酸钠溶液以制取硫酸和氢氧化钠,并得到氢气和氧气。
对该装置及其原理判断正确的是( )
A.a气体为氢气,b气体为氧气
B.A溶液为氢氧化钠,B溶液为硫酸
C.c隔膜为阳离子交换膜、d隔膜为阴离子交换膜
D.该电解反应的总方程式可以表示为2Na2SO4+6H2O
2H2SO4+4NaOH+O2↑+2H2↑
解析:
电解硫酸钠溶液的阴极反应为2H++2e-===H2↑,该极区水的电离被破坏,生成NaOH(B溶液),阳极反应为4OH--4e-===2H2O+O2↑,总反应方程式为2Na2SO4+6H2O
2H2SO4+4NaOH+O2↑+2H2↑,A、B项错误,D项正确;电解过程中,阳离子向阴极区移动,c膜应为阴离子交换膜,C项错误。
答案:
D
6.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)2
D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
解析:
电解质溶液电解时只生成氧气和氢气,相当于是电解水。
根据电解时离子的放电顺序,当电解强含氧酸、强碱、活泼金属含氧酸盐的溶液时均相当于电解水。
答案:
C
7.用惰性电极持续电解100mLCuSO4溶液一段时间后,可以通过添加0.1molCu(OH)2将溶液的量与浓度完全复原,则电解时电路中通过的电子为( )
A.0.1molB.0.2mol
C.0.4molD.0.8mol
解析:
根据题意知,通过添加0.1molCu(OH)2将溶液的量与浓度完全复原,可知电解时Cu2+放电完全,且电解了一部分水。
由0.1molCu(OH)2可知,电解时阴极产生了0.1molCu和0.1molH2,结合电极反应式知,通过的电子为0.4mol。
答案:
C
8.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是( )
A.AgNO3 CuCl2 Cu(NO3)2
B.KCl Na2SO4 CuSO4
C.CaCl2 KOH NaNO3
D.HCl HNO3 K2SO4
解析:
电解KCl溶液生成KOH,pH升高,电解Na2SO4溶液,实质是电解水,pH不变,电解CuSO4溶液生成H2SO4,pH减小。
答案:
B
9.用石墨作电极完全电解含1mol溶质X的溶液后,向溶液中加入一定量的物质Y能使电解液恢复到起始状态的是( )
选项
X溶液
物质Y
A
CuCl2
1molCu(OH)2
B
KOH
1molKOH
C
Na2SO4
1molH2SO4
D
AgNO3
0.5molAg2O
解析:
电解CuCl2溶液的化学方程式为CuCl2
Cu+Cl2↑,所以电解后加CuCl2才能恢复原状;电解KOH溶液的化学方程式为2H2O
2H2↑+O2↑,电解后加水才能恢复原状;电解Na2SO4溶液的化学方程式为2H2O
2H2↑+O2↑,电解后加水能恢复原状;电解AgNO3溶液的化学方程式为4AgNO3+2H2O
4Ag+O2↑+4HNO3,电解后加入0.5molAg2O可恢复原状,故A、B、C错误,选D。
答案:
D
10.用如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。
x轴表示电解过程中转移电子的物质的量,y轴表示电解过程中产生气体的总体积。
则下列说法不正确的是( )
A.电解过程中N电极表面先有红色物质生成,后有气泡产生
B.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
C.Q点时M、N两电极上产生的气体在相同条件下体积相同
D.若M电极材料换成Cu作电极,则电解过程中CuSO4溶液的浓度不变
解析:
N为电解池的阴极,根据放电顺序,首先Cu2+得电子生成红色物质Cu,然后H+得电子生成H2,A正确;根据图乙,OP段阴极发生Cu2+得电子生成Cu的反应,P点后阴极H+放电生成H2,阳极反应一直是OH-失电子生成O2,所以P点以后相当于电解水,A点只加入CuO固体不能恢复到起始状态,B错误;由图乙可以看出,OP段电路通过amol电子,阳极生成氧气体积为bL,PQ段又通过amol电子,阳极生成氧气体积为bL,则到Q点时,阳极共生成氧气2bL,生成氢气为(4b-2b)L=2bL,C正确;若M电极材料换成Cu作电极,阳极上则是Cu失电子,阴极上Cu2+得电子,所以电解过程中CuSO4溶液的浓度不变,D正确。
答案:
B
二、电极反应式和电解总方程式的书写
11.电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如图:
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:
H2产生是因为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,阳极反应式容易错写成4OH--4e-===2H2O+O2↑。
答案:
(1)阳极 CO(NH2)2+8OH--6e-===N2↑+CO
+6H2O
(2)阴极 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
12.用石墨电极完成下列电解实验。
下列对实验现象的解释或推测不合理的是( )
A.a、d处:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.b处:
2Cl--2e-===Cl2↑
C.c处发生了反应:
Fe-2e-===Fe2+
D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜
解析:
a、d处试纸变蓝,说明溶液显碱性,是溶液中的氢离子得到电子生成氢气,氢氧根离子剩余造成的,故A项正确;b处变红,局部褪色,说明是溶液中的氢氧根和氯离子同时放电,故B项错误;c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,故C项正确;实验一中ac形成电解池,db形成电解池,所以实验二中也相当于形成三个电解池(一个球两面为不同的两极),m为电解池的阴极,另一球朝m的一面为阳极(n的背面),故相当于电镀,即m上有铜析出,故D项正确。
答案:
B
13.用如图所示装置除去含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,下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:
Cl-+2OH--2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:
2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
解析:
若铁作阳极,则铁失电子生成Fe2+,则CN-无法除去,故铁只能作阴极,A项正确;Cl-要生成ClO-,氯元素的化合价要升高,故在阳极发生氧化反应,又已知该溶液为碱性条件,B项正确;阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应,碱性条件下,H2O提供阳离子H+,故C项正确;由于溶液是碱性条件,方程式中不能出现H+,D项错误。
答案:
D
电化学的有关计算
1计算类型
原电池和电解池的计算主要包括以下几个方面:
(1)根据直流电源提供的电量求产物的量(析出固体的质量、产生气体的体积等);
(2)溶液pH的计算;
(3)相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算;
(4)产物的量与电荷量关系的计算。
2解题方法
(1)根据总反应式计算
先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。
(2)根据电子守恒计算
①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。
②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
据得失电子守恒关系建立已知量与未知量之间的桥梁,建立计算所需的关系式。
串联电路中各电极得失电子数相等,即电路中通过的电量(电子总数)相等。
如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:
该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应式,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
1.将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,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-1 B.2×10-3mol·L-1
C.1×10-3mol·L-1D.1×10-7mol·L-1
解析:
阴极反应:
Cu2++2e-===Cu,增重0.064g应是Cu的质量,设生成H+的物质的量为x,根据总反应方程式:
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
2×64g 4mol
0.064g x
x=0.002mol
c(H+)=
=4×10-3mol·L-1。
答案:
A
2.两个惰性电极插入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可以忽略不计),电极上析出银的质量最大为( )
A.27mgB.54mg
C.106mgD.216mg
解析:
首先结合离子放电顺序,弄清楚两极的反应:
阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O;阴极:
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。
答案:
B
3.500mLNaNO3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.电解后得到的Cu的物质的量为0.1mol
解析:
阳极是阴离子放电(放电能力:
OH->NO
),根据题给信息,阳极一定是OH-放电,生成0.05mol氧气,转移0.2mol电子;阴极离子放电能力:
Cu2+>H+>Na+,所以Cu2+先放电,然后是H+放电,阴极生成0.05mol氢气时,转移0.1mol电子,根据得失电子守恒知,Cu2+转移0.1mol电子,n(Cu2+)=0.05mol。
所以原溶液中n[Cu(NO3)2]=0.05mol,n(NO
)=0.3mol·L-1×0.5L=0.15mol,n(NaNO3)=0.05mol。
原混合溶液中c(Na+)=0.1mol·L-1,A项错误;结合以上分析及电解总方程式Cu2++2H2O
Cu+H2↑+O2↑+2H+可知,生成0.05molCu、0.05molO2、0.05molH2和0.1molH+,电解后溶液中c(H+)=
=0.2mol·L-1,B项正确;D项错误;上述电解过程中共转移0.2mol电子,C项错误。
答案:
B
4.用惰性电极电解一定浓度CuSO4溶液,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1molCu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH。
则下列说法正确的是( )
A.电解过程中阴极没有气体生成
B.电解过程中转移的电子的物质的量为0.4mol
C.原CuSO4溶液的浓度为0.1mol·L-1
D.电解过程中阳极收集气体体积为1.12L(标准状况下)
解析:
加入0.1molCu(OH)2相当于加入0.1molCuO和0.1molH2O,故CuSO4电解完后还电解了部分水,阴极析出了0.1molCu和0.1molH2,A错误;析出0.1molCu转移电子0.2mol,析出0.1molH2转移电子0.2mol,故转移的电子的总物质的量为0.4mol,B正确;原CuSO4溶液的物质的量为0.1mol,不知溶液体积,无法求浓度,C错误;电解过程中阳极始终产生O2,根据转移的电子的总物质的量为0.4mol,产生O2体积为2.24L(标准状况下),D错误。
答案:
B
5.如图所示,通电5min后,电极5的质量增加2.16g,请回答下列问题:
(1)a为电源的______(填“正”或“负”)极,C池是________池。
A池阳极的电极反应为________,C池阴极的电极反应为________。
(2)如果B池中共收集到224mL气体(标准状况)且溶液体积为200
mL(设电解过程中溶液体积不变),则通电前溶液中Cu2+的物质的量浓度为________。
(3)如果A池溶液是200mL足量的食盐水(电解过程溶液体积不
变),则通电后,溶液的pH为________。
解析:
根据已知条件通电5min后,电极5的质量增加2.16g,说明电极5作阴极,银离子放电,电极反应为Ag++e-===Ag,转移电子的物质的量为0.02mol,同时可知电极6作阳极,与电源的正极相连。
同时可得a是负极,b是正极,电极1、3、5作阴极,电极2、4、6作阳极。
由此可得
(1)中答案。
(2)B池中电解总反应为2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+
2H2SO4,若转移0.02mol电子时只收集到O2(只电解溶质),则根据关系式2CuSO4~O2~4e-可得n(O2)=0.005mol,体积为112mL(标准状况)<224mL,说明溶质CuSO4已耗完,然后电解水。
设整个过程消耗CuSO4xmol,H2Oymol,则有2x+2y=0.02,
x+
y=0.01,解得x=y=0.005mol,则c(CuSO4)=0.025mol·L-1。
(3)由于A池中电解液足量,A池中只发生反应2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,根据关系式NaOH~e-,生成的n(NaOH)=0.02mol,则c(NaOH)=
=0.1mol·L-1,即溶液的pH=13。
答案:
(1)负 电解 2Cl--2e-===Cl2↑ Ag++e-===Ag
(2)0.025mol·L-1 (3)13
考点二 电解原理的应用 多池组合装置
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、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。
判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
1.用铜作阳极、石墨作阴极电解CuCl2溶液时,阳极电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。
( × )
2.电解MgCl2溶液所发生反应的离子方程式为:
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-。
( × )
3.氯碱工业用阳离子交换膜把阴极室和阳极室分开。
( √ )
4.Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑可以设计成电解池,但不能设计成原电池。
( √ )
5.粗铜电解精炼时,若电路中通过2mole-,阳极减少64g。
( × )
6.电解冶炼镁、铝可电解熔融的MgO和AlCl3。
( × )
1.粗铜中含有的相对活泼的物质也会失去电子,不活泼的金、铂形成阳极泥,而溶液中只有Cu2+得到电子生成Cu,故c(Cu2+)将减小,并且阴极增重质量,不等于阳极减小的质量。
2.电镀时,阳极(镀层金属)失去电子的数目跟阴极镀层金属离子得到电子的数目相等,因此电镀液的浓度保持不变。
3.阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2和Cl2混合爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱质量。
一、电解原理的常规应用
1.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。
下列说法正确的是( )
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
解析:
氯碱工业中阳极是Cl-放电生成Cl2;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极Cu2+放电析出Cu,但是粗铜
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