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2节 电解池金属的电化学腐蚀与防护
考试说明
1.了解电解池的工作原理,并能写出电极反应及总反应的方程式,认识电解在实现物质转化中的具体应用。
2.了解金属发生电化学腐蚀的本质,知道金属腐蚀的危害,了解防止金属腐蚀的措施。
命题规律
本节是高考的常考内容,其考查的内容有:
一是电解过程的分析,多借助于图像考查电极上离子的放电顺序与产物的判断,电极反应式的书写;二是注重原电池与电解池相结合考查新型充电电池;三是考查新情境下电解原理的实际应用,如氯碱工业、电解精炼铜、电镀、电解除污、结合离子交换膜进行电解等;四是金属腐蚀的原因与防护措施。
考查题型有选择题和填空题两种。
考点1 电解原理
1.电解
(1)定义:
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)特点:
①电解是不可逆的;②电解质导电一定发生化学变化。
2.电解池
(1)概念:
电解池是把电能转化为化学能的装置。
(2)电解池的构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融电解质)。
③形成闭合回路。
(3)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
Cu+Cl2↑。
(4)电解池中电子和离子的移动方向
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)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(勿忘水溶液中的H+和OH-)。
(3)排出阴、阳两极的放电顺序
(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、电荷守恒和电子转移守恒。
(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.惰性电极电解电解质溶液的四种类型
(1)电解水型
(2)电解电解质型
(3)放H2生碱型
(4)放O2生酸型
(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”。
【基础辨析】
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现。
(√)
(2)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。
(×)
(3)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。
(×)
(4)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。
(×)
(5)用惰性电极电解饱和食盐水一段时间后,加入盐酸可使电解质溶液恢复到电解前的状态。
(×)
题组一电极反应式、电解总反应式的书写
1.用如图所示装置(熔融CaF2CaO作电解质)获得金属钙,并用钙还原TiO2制备金属钛。
下列说法正确的是( )
A.电解过程中,Ca2+向阳极移动
B.阳极的电极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量减少
D.若用铅蓄电池作该装置的供电电源,“+”接线柱是Pb电极
答案 B
解析 由题图可知,石墨与外加电源的正极相连,则石墨为阳极,钛网电极作阴极,电解过程中,电解液中Ca2+向阴极移动,A错误;据题图可知,阳极上发生氧化反应生成CO2,则阳极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑,B正确;阴极反应式为2Ca2++4e-===2Ca,Ca还原TiO2的反应方程式为2Ca+TiO2===2CaO+Ti,故制备Ti前后,整套装置中CaO的质量不变,C错误;“+”表示铅蓄电池的正极,该接线柱为铅蓄电池的PbO2极,D错误。
2.按要求书写有关的电极反应式及总反应式。
(1)以铝材为阳极,在H2SO4溶液中电解,铝材表面可形成氧化膜。
阳极反应式:
_____________________________________________________________________;
阴极反应式:
______________________________________________________________________;
总化学方程式:
______________________________________________________________________。
(2)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、阳两极的产物并根据电解的先后顺序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)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
6H++6e-===3H2↑
2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
(2)①Cl2、O2 2Cl--2e-===Cl2↑、4OH--4e-===2H2O+O2↑
②Cu、H2 Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑
解析
(2)阴离子在阳极发生氧化反应,由于还原性:
Cl->OH->SO
,故先生成Cl2,后生成O2;阳离子在阴极发生还原反应,由于氧化性:
Cu2+>H+>Na+,故先生成Cu,后生成H2。
题组二电解原理和电解规律的考查
3.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.NaBr、CuCl2、Ba(OH)2
B.NaOH、H2SO4、CuSO4
C.KOH、HNO3、Na2SO4
D.NaCl、Cu(NO3)2、MgSO4
答案 C
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,只有C项符合题意。
4.如图所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯依次分别盛放100g5%NaOH溶液、足量CuSO4溶液和100g10%K2SO4溶液,电极均为石墨电极。
(1)接通电源,一段时间后,测得丙中K2SO4溶液的质量分数为10.47%,乙中c电极质量增加。
则
①电源的N端为________极;
②电极b上发生的电极反应为____________________;
③计算电极b上生成的气体在标准状况下的体积为________L;
④电解前后丙中溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)乙装置中如果电解过程中铜全部析出,此时电解能否继续进行:
________(填“能”或“不能”),原因是______________________________________________。
答案
(1)①正 ②4OH--4e-===O2↑+2H2O
③2.8 ④不变
(2)能 CuSO4溶液变为H2SO4溶液,可继续电解H2SO4溶液,相当于电解水
解析
(1)①接通电源一段时间后,乙中c电极质量增加,说明c电极表面析出Cu,则该电极为阴极,从而推知M端为电源的负极,N端为电源的正极。
②电极b为阳极,用惰性电极电解NaOH溶液相当于电解水,阳极上OH-放电生成O2,电极反应式为4OH--4e-===O2↑+2H2O。
③用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,设电解过程中消耗水的质量为xg,据电解前后溶质的质量不变可得:
100g×10%=(100-x)g×10.47%,解得x=4.5,则电解过程中消耗水的物质的量为
=0.25mol,转移电子的物质的量为0.5mol,故电极b上生成的O2在标准状况下的体积为V(O2)=0.5mol×
×22.4L·mol-1=2.8L。
④丙中用惰性电极电解K2SO4溶液相当于电解水,电解过程中c(K2SO4)增大,但溶液的pH不变。
(2)当电解过程中铜全部析出时,CuSO4溶液变为H2SO4溶液,继续电解则为电解H2SO4溶液,相当于电解水。
考点2 电解原理的应用
1.氯碱工业——电解饱和食盐水
(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)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),
总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,
离子方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑。
(3)阳离子交换膜的作用:
阳离子交换膜只允许阳离子通过,阻止Cl2、H2、OH-通过,这样既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合而引起爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。
2.电镀和电解精炼铜
3.冶炼金属
(1)原理:
利用电解原理使矿石中的金属离子获得电子,从它们的化合物中还原出来。
(2)适用范围:
制取活泼金属单质,如电解NaCl、MgCl2、Al2O3制取Na、Mg、Al,化学方程式分别为:
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑,MgCl2(熔融)
Mg+Cl2↑,2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑。
(1)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为金属电极——阳极;电极质量增加的电极必为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
(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。
精炼铜时由于阳极发生多个反应,阴极增重质量不等于阳极减少的质量,故溶液中c(Cu2+)减小。
【基础辨析】
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中的c(Cu2+)均保持不变。
(×)
(2)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可电解MgO和AlCl3。
(×)
(3)若把Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑设计成电解池,应用Cu作阳极。
(√)
(4)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。
(×)
(5)在镀件上电镀铜时,镀件应连接电源的正极。
(×)
(6)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。
(√)
题组一电解原理的基本应用
1.某同学设计如图装置,探究氯碱工业原理,下列说法正确的是( )
A.石墨电极与直流电源的负极相连
B.铜电极的电极反应式为2H++2e-===H2↑
C.氢氧化钠在石墨电极附近产生,Na+向石墨电极迁移
D.用湿润的淀粉KI试纸在铜电极附近检验气体,试纸变蓝色
答案 B
解析 氯碱工业的反应原理为2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑,而Cu为活性电极,故应将Cu电极与电源的负极相连,石墨电极与电源的正极相连,A错误;Cu电极为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑(或2H2O+2e-===H2↑+2OH-),B正确;电解池中,电解质溶液中的阳离子向阴极移动,则Na+向Cu电极迁移,在Cu电极附近与反应生成的OH-结合生成NaOH,C错误;由B项分析可知,Cu电极上产生H2,石墨电极的反应为2Cl--2e-===Cl2↑,故用湿润的淀粉KI试纸在铜电极附近检验气体,试纸不变色,D错误。
2.如图所示的阴、阳离子交换膜电解槽中,用惰性电极电解Na2SO4溶液可制得硫酸和氢氧化钠溶液。
下列说法不正确的是( )
A.阳极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.N为阴离子交换膜
C.进口b补充的是稀NaOH溶液
D.电解过程中阳极附近的pH不断降低
答案 A
解析 电解Na2SO4溶液,实际上是电解水,所以阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+,A错误;由H2出口知电极A为阴极,电极B为阳极,产生H+,故要不断补充阴离子,故N为阴离子交换膜,B正确;电极A为阴极,水中的H+放电,大量的氢氧化钠在阴极附近生成,故在b口加入稀氢氧化钠以增强导电性,C正确;阳极反应不断地产生H+,故pH不断降低,D正确。
题组二电解原理在化工制备中的应用
3.工业上,常用NCl3制备水的消毒剂ClO2。
利用如图装置电解氯化铵和盐酸的混合溶液制得NCl3(已知NCl3的水溶液具有漂白性)。
下列推断正确的是( )
A.石墨极为正极
B.铁极附近电解质溶液的pH减小
C.每生成1molNCl3时必转移3mol电子
D.电解反应为NH4Cl+2HCl
NCl3+3H2↑
答案 D
解析 石墨极为阳极,A错误;铁为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,故溶液的酸性逐渐减弱,pH增大,B错误;每生成1molNCl3,必转移6mol电子,C错误。
4.以稀硫酸为电解质溶液,利用太阳能电池将CO2转化为乙烯的工作原理如下图所示,则N极上的电极反应式为
______________;该电解池中所发生的总反应的化学方程式为__________________。
答案 2H2O-4e-===4H++O2↑ 2CO2+2H2O
C2H4+3O2
解析 M极CO2→C2H4,碳元素化合价降低,发生还原反应;N极,H2O中OH-放电生成O2和H+。
总反应为CO2和H2O反应生成C2H4和O2。
考点3 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
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
铁锈的形成:
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2,
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,2Fe(OH)3+(x-3)H2O===Fe2O3·xH2O(铁锈)。
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。
(1)在同一电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序:
电解原理引起的阳极腐蚀>原电池原理引起的负极腐蚀>化学腐蚀>应用原电池原理有保护措施的腐蚀>应用电解原理有保护措施的腐蚀。
(2)纯度越高的金属,腐蚀得越慢。
(3)不纯的金属或合金,在潮湿空气中的腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。
【基础辨析】
判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)纯银器在空气中因化学腐蚀表面渐渐变暗。
(√)
(2)金属的电化学腐蚀比化学腐蚀更普遍。
(√)
(3)生铁浸泡在食盐水中发生析氢腐蚀。
(×)
(4)当镀锡铁制品的镀层破损时,镀层仍能对铁制品起保护作用。
(×)
(5)牺牲阳极的阴极保护法是利用电解原理防腐蚀。
(×)
(6)将水库中的水闸(钢板)与外加直流电源的负极相连,正极连接到一块废铁上可防止水闸被腐蚀。
(√)
题组一金属的电化学腐蚀
1.利用如图装置进行实验,开始时,左右两管液面相平,密封好,放置一段时间。
下列说法正确的是( )
A.左管中O2得到电子,右管中H+得到电子
B.一段时间后,左管液面低于右管液面
C.a、b两处具有相同的电极反应式:
Fe-3e-===Fe3+
D.a处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
答案 A
解析 左管中铁丝发生吸氧腐蚀,O2得电子,右管中铁丝发生析氢腐蚀,H+得电子,A正确;左管中吸收氧气,压强减小,右管中析出氢气,压强增大,故一段时间后,左管液面上升,右管液面下降,左管液面高于右管液面,B错误;a、b两处铁丝均作负极,电极反应式均为Fe-2e-===Fe2+,C错误;左管中O2得电子,发生反应:
O2+2H2O+4e-===4OH-,故a处溶液c(OH-)增大,pH增大,右管中H+得电子,发生反应:
2H++2e-===H2↑,b处溶液c(H+)减小,pH增大,D错误。
2.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是( )
A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重
B.图b中,开关由M改置于N时,Cu-Zn合金的腐蚀速率减小
C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的速率也增大
D.图d中,ZnMnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
答案 B
解析 因液面处氧气的浓度大且与海水接触,故在液面处铁棒腐蚀最严重,A错误;接通开关后形成原电池,Zn的腐蚀速率增大,H+在Pt电极上放电产生H2,C错误;干电池自放电腐蚀是NH4Cl产生的H+的氧化作用引起的,D错误。
题组二金属的防护
3.下列说法中,不正确的是( )
A
B
C
D
钢铁表面水膜的酸性很弱或呈中性,发生吸氧腐蚀
钢铁表面水膜的酸性较强,发生析氢腐蚀
将锌板换成铜板对钢闸门保护效果更好
钢闸门作为阴极而受到保护
答案 C
解析 金属活泼性:
Zn>Fe>Cu,所以若将锌板换成铜板,则先腐蚀活泼金属Fe,C错误;钢闸门与电源的负极相连而被保护,D正确。
4.钢铁很容易因生锈而被腐蚀,每年因腐蚀而损失的钢铁占世界钢铁年产量的四分之一。
请回答钢铁在腐蚀、防护过程中的有关问题。
(1)在实际生产中,可在铁件的表面镀铜防止铁被腐蚀,装置示意图如图所示。
①A电极对应的金属是________(写元素名称)。
B电极的电极反应式是__________________________。
②镀层破损后,镀铜铁和镀锌铁更容易被腐蚀的是________(填“镀铜铁”或“镀锌铁”)。
(2)下列哪些装置可防止铁棒被腐蚀________(填序号)。
(3)利用如图所示装置可以模拟铁的电化学防护。
①若X为碳棒,为减缓铁的腐蚀,开关K应置于________处。
假设海水中只有NaCl溶质,写出此时总反应的离子方程式:
______________________________。
②若X为锌,开关K置于M处,该电化学防护法称为__________________。
写出铁电极的电极反应式:
____________________________________________。
答案
(1)①铜 Cu2++2e-===Cu ②镀铜铁
(2)BD
(3)①N 2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑
②牺牲阳极的阴极保护法 O2+2H2O+4e-===4OH-
解析
(1)①在铁件的表面镀铜时,应将铁件与电源的负极相连,作电解池的阴极,将铜与电源的正极相连,作电解池的阳极,故A电极是铜;B电极上Cu2+得电子发生还原反应,电极反应式为Cu2++2e-===Cu。
②镀层破损后,镀铜铁发生腐蚀时,Fe作负极被腐蚀;镀锌铁发生腐蚀时,Zn作负极被腐蚀,而Fe作正极受到保护,故镀铜铁更容易被腐蚀。
(2)铁棒和碳棒用导线连接插入水中,形成原电池,Fe作负极,发生氧化反应而被腐蚀,A错误;铁棒和锌棒用导线连接插入水中,形成原电池,Zn作负极发生氧化反应而被腐蚀,Fe则作正极受到保护,B正确;铁棒放入水中,Fe和其中含有的少量碳形成微小原电池,Fe作负极而发生腐蚀,C错误;铁棒与电源负极相连,作电解池的阴极而受到保护,D正确。
(3)①若开关K置于M处,该装置为原电池,Fe作负极,腐蚀速率加快;若开关置于N处,该装置为电解池,铁与电源的负极相连,作电解池的阴极而受到保护,可减缓铁的腐蚀。
假设海水中只有NaCl溶质,电解时Cl-在阳极放电,H+在阴极放电,电解总反应的离子方程式为2Cl-+2H2O
2OH-+Cl2↑+H2↑。
②若X为锌,开关K置于M处,该装置为原电池,Zn作负极,失电子被氧化,而Fe作正极受到保护,该电化学防护法属于牺牲阳极的阴极保护法。
Fe作正极,在海水中发生吸氧腐蚀,铁电极(正极)的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-。
1.[2017·天津高考]下列能量转化过程与氧化还原反应无关的是( )
A.硅太阳能电池工作时,光能转化成电能
B.锂离子电池放电时,化学能转化成电能
C.电解质溶液导电时,电能转化成化学能
D.葡萄糖为人类生命活动提供能量时,化学能转化成热能
答案 A
解析 硅太阳能电池发电的主要原理是半导体的光电效应,将太阳能转化为电能,与氧化还原反应无关,A正确。
该能量转化过程利用的是原电池原理,在负极发生氧化反应,正极发生还原反应,与氧化还原反应有关,B错误。
该能量转化过程利用的是电解池原理,阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应,与氧化还原反应有关,C错误。
葡萄糖为生命活动提供能量时,能量转化的同时葡萄糖被氧化为CO2和水,与氧化还原反应有关,D错误。
2.[2017·全国卷Ⅰ]支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。
下列有关表述不正确的是( )
A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
答案 C
解析 外加强大的电流可以抑制金属电化学腐蚀产生的电流,A正确。
被保护的钢管桩作阴极,高硅铸铁作阳极,电解池中外电路电子由阳极流向阴极,即从高硅铸铁流向钢管桩,B正确。
高硅铸铁为惰性辅助阳极,其主要作用是传递电流,而不是作为损耗阳极,C错误。
保护电流要抑制金属电化学腐蚀产生的电流,应根据环境条件变化进行调整,D正确。
3.[2017·全国卷Ⅱ]用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜,电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。
下列叙述错误的是( )
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为Al3++3e-===Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
答案 C
解析 该电解池阳极发生的电极反应为2H2O-4e-===4H++O2↑,氧气将铝制品表面氧化形成致密的氧化膜,所以待加工铝质工件应为阳极,A正确。
阴极发生的电极反应为2H++2e-===H2↑,阴极可选用不锈钢网作电极,B正确,C错误。
电解质溶液中的阴离子向阳极移动,D正确。
4.[2016·北京高考]用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生
下列对实验现象的解释或
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