全国通用版版高考化学大一轮复习第25讲电解池金属的电化学腐蚀与防护优选学案.docx
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全国通用版版高考化学大一轮复习第25讲电解池金属的电化学腐蚀与防护优选学案
第25讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护
考纲要求
考情分析
命题趋势
1.掌握电解池的构成、工作原理及应用。
2.能写出电极反应和电池总反应方程式。
3.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。
2017,全国卷Ⅲ,11T
2017,全国卷Ⅰ,11T
2016,天津卷,27T
2016,北京卷,12T
2016,四川卷,5T
预计2019年高考仍将重点考查电解池的工作原理,如阴阳极的判断、电极反应式的书写及溶液pH的变化等;复习备考时应注重电解原理的实质,从氧化还原反应的角度认识电化学。
分值:
3~6分
考点一 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:
电解是不可逆的,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。
②两个电极插入__电解质溶液__(或__熔融电解质__)中。
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。
用惰性电极电解电解质溶液的四种类型
(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
加水
强碱(如NaOH)
增大
加水
活泼金属的含氧酸盐
(如KNO3、Na2SO4)
不变
加水
(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:
2H2O+2e-===H2↑+2OH
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:
2H2O-4e-===4H++O2↑
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.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。
(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CuSO4溶液一段时间后,加入Cu(OH)2可能使电解质溶液恢复到电解前的情况。
( √ )
(6)电解NaOH溶液的本质是电解水,溶液的pH保持不变。
( × )
2.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( B )
A.AgNO3 CuCl2 Cu(NO3)2
B.KCl Na2SO4 CuSO4
C.CaCl2 KOH NaNO3
D.HCl HNO3 K2SO4
解析由电解电解质溶液的四种类型可知:
类型
化学物质
pH变化
放O2生酸型
AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
升高
HCl
升高
电解H2O型
Na2SO4、NaNO3、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
3.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:
__2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+__。
阴极反应式:
__6H++6e-===3H2↑__。
总化学方程式:
__2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑__。
(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:
__Cl2、O2__。
电极反应:
__2Cl--2e-===Cl2↑、2H2O-4e-===4H++O2↑__。
②阴极产物:
__Cu、H2__。
电极反应:
__Cu2++2e-===Cu、2H2O+2e-===2OH-+H2↑__。
电解池中方程式书写时的四个常见失分点
(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。
即不可能用电解水溶液的方法得到K、Ca、Na、Mg、Al等金属。
阴阳极的判断和电解产物的分析方法
(1)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。
(2)惰性电极电解电解质溶液的产物判断
[例1]如图为EFC剑桥法用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图,其原理是在较低的阴极电位下,TiO2(阴极)中的氧解离进入熔融盐,阴极最后只剩下纯钛。
下列说法中正确的是( C )
A.阳极的电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑
B.通电后,O2-、Cl-均向阴极移动
C.阴极的电极反应式为TiO2+4e-===Ti+2O2-
D.石墨电极的质量不发生变化
解析电解池的阳极是氧离子发生失电子的氧化反应,导致氧气等气体的出现,所以电极反应式为2O2--4e-===O2↑;电解池中,电解质里的阴离子O2-、Cl-均移向阳极;电解池的阴极发生得电子的还原反应,是二氧化钛电极本身得电子的过程,即TiO2+4e-===Ti+2O2-;石墨电极会和阳极上产生的氧气发生反应,导致一氧化碳、二氧化碳的出现,所以电极本身会消耗,质量减轻。
[例1]某模拟“人工树叶”电化学实验装置如图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。
下列说法正确的是( )
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+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
[答题送检]来自阅卷名师报告
错误
致错原因
扣分
C
得失电子不守恒
-6
D
不能根据化合价的变化,来判断是氧化反应还是还原反应
-6
[解析]利用图示知,该装置为电解池,是将电能和光能转化为化学能,A项错误;该装置工作时,b极(阳极)是H2O失电子转化为氧气,同时产生H+,H+从b极区向a极(阴极)区迁移,B项正确;利用得失电子守恒知,每生成1molO2转移4mole-,每消耗1molCO2转移6mole-,则被还原的CO2的质量为
mol×44g·mol-1=29.3g,C项错误;a极上应发生还原反应,即a电极的反应为3CO2+18H++18e-===C3H8O+5H2O,D项错误。
[答案]B
1.如图所示的电解池Ⅰ和Ⅱ中,a、b、c和d均为Pt电极。
电解过程中,电极b和d上没有气体逸出,但质量均增大,且增重b 符合上述实验结果的盐溶液是( D ) 选项 X Y A MgSO4 CuSO4 B AgNO3 Pb(NO3)2 C FeSO4 Al2(SO4)3 D CuSO4 AgNO3 解析A项,电解池Ⅰ中相当于电解水,b上有气体生成,电极质量不变;B项,b上生成Ag,d上有气体生成;C项,两电解池中都相当于电解水,b、d上都有气体生成,两电极质量不变;D项,b上生成Cu,d上生成Ag,二者物质的量之比为1∶2,增重b 1.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。 下列说法不正确的是( D ) A.X是电源的负极 B.阴极的电极反应式是H2O+2e-===H2+O2-、CO2+2e-===CO+O2- 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 解析根据图示,X极产物为H2和CO,是H2O与CO2的还原产物,可判断在X极上发生还原反应,由此判断X为电源的负极,A项正确;根据题意,电解质为固体金属氧化物,可以传导O2-,故在阴极上发生的反应为H2O+2e-===H2+O2-,CO2+2e-===CO+O2-,B项正确;根据电极产物及阴极发生的电极反应可知,该反应的总反应方程式为H2O+CO2 H2+CO+O2,C项正确;根据电解总反应方程式可知,阴阳两极生成的气体的物质的量之比为2∶1,D项错误。 2.(2016·北京卷)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推测不合理的是( B ) 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 根据a、d处试纸变蓝,可判断a、d两处都为电解池的阴极,发生的电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,A项正确;b处变红,局部褪色,说明b为电解池的阳极,2Cl--2e-===Cl2↑,氯气溶于水生成盐酸和次氯酸: Cl2+H2O===HCl+HClO,HCl溶液显酸性,HClO具有漂白性,B项不正确;c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,发生的电极反应为Fe-2e-===Fe2+,C项正确;实验一中a、c形成电解池,d、b形成电解池,所以实验二中也形成电解池,铜珠的左端为电解池的阳极,铜失电子生成铜离子,m、n是铜珠的右端,为电解池的阴极,开始时产生气体,后来铜离子得到电子生成单质铜,D项正确。 3.利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。 LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。 利用如图所示装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。 B极区电解液为__LiOH__溶液(填化学式),阳极电极反应式为__2Cl--2e-===Cl2↑__,电解过程中Li+向__B__电极迁移(填“A”或“B”)。 解析 根据电解装置图,B极区产生H2,电极反应式为2H2O+2e-===2OH-+H2↑,所以B极区电解液应为LiOH溶液,B电极为阴极,则A电极应为阳极。 阳极区电解液应为LiCl溶液,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。 电解过程中Li+向阴极(B电极)迁移。 考点二 电解原理的应用及有关电化学的计算 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Na+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 电镀 电解精炼铜 概念 电镀是应用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的方法 运用电解的方法将粗铜提炼为纯铜 主要目的 使金属增强抗腐蚀能力、增大表面硬度等 将粗铜提炼为纯铜 示意图 构成条件 阳极 __镀层__金属 __粗铜__ 阴极 __待镀__金属 __纯铜__ 电解质 含__镀层__金属阳离子 CuSO4溶液 电极反应 (以铁上镀 铜为例) 阳极 __Cu-2e-===Cu2+__ Zn-2e-===Zn2+,比铜活泼的金属杂质以__阳离子__形式残留在溶液中;Cu-2e-===Cu2+,比铜不活泼的金属杂质形成__阳极泥__ 阴极 __Cu2++2e-===Cu__ __Cu2++2e-===Cu__ 电解质溶液的浓度变化 CuSO4溶液的浓度__基本不变__ CuSO4溶液的浓度__减小__ 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.判断正误,正确的划“√”,错误的划“×”。 (1)用惰性电极电解饱和食盐水,实验停止后要想使溶液复原需加入适量盐酸。 ( × ) (2)电解饱和食盐水制烧碱采用离子交换膜法,可防止阴极室产生的Cl2进入阳极室。 ( × ) (3)若把Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑设计成电解池,应用Cu作阳极。 ( √ ) (4)电解精炼铜时,同一时间内阳极溶解铜的质量比阴极析出铜的质量小。 ( √ ) 2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。 下列说法正确的是( D ) A.氯碱工业中,X电极上的反应式是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 3.使用氯化钠作原料可以得到多种产品。 (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__0.1_mol·L-1__(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,制得有较强杀菌能力的消毒液,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正确的是__B____(填字母)。 A.a为正极,b为负极;NaClO和NaCl B.a为负极,b为正极;NaClO和NaCl C.a为阳极,b为阴极;HClO和NaCl D.a为阴极,b为阳极;HClO和NaCl (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__Fe__(用元素符号表示),总的反应式是__Fe+2H2O Fe(OH)2↓+H2↑__。 电解原理应用中的注意要点 (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沉积在阴极上。 (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,并且溶液中c(Cu2+)减小。 一 电解原理应用题的考查角度 1.电解原理应用的三种常见命题角度 (1)常规应用(氯碱工业、电镀、电解精炼铜和电冶金) (2)物质制备(如2014年新课标全国卷乙电渗析法制备H3PO2等) (3)环境治理(如2016年全国卷乙三室式电渗析法处理含Na2SO4的废水等) [例1]H3PO2也可用电渗析法制备,“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过): (1)写出阳极的电极反应式: __2H2O-4e-===O2↑+4H+__。 (2)分析产品室可得到H3PO2的原因: __阳极室的H+穿过阳膜扩散至产品室,原料室的H2PO 穿过阴膜扩散至产品室,二者反应生成H3PO2__。 (3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2: 将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替,并撤去阳极室与产品室之间的阳膜,从而合并了阳极室与产品室。 其缺点是产品中混有__PO __杂质,该杂质产生的原因是__H2PO 或H3PO2被氧化__。 解析 (1)在电解池的阳极,由于电解质溶液呈酸性,所以H2O失去电子发生氧化反应: 2H2O-4e-===O2↑+4H+。 (2)阳极产生大量的H+,通过阳膜与H2PO 反应生成H3PO2。 (3)H2PO 和H3PO2在阳极可被氧化为PO ,从而引入了杂质。 二 电化学计算题和解题方法 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 根据得失电子守恒定律建立已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。 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,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。 [例2]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,下列说法正确的是( A ) A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·L-1 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·L-1 解析 石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应: Cu2++2e-===Cu,2H++2e-===H2↑。 从收集到O2为2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子,而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2mol=0.2mol电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。 电解前后分别有以下守恒关系: c(K+)+2c(Cu2+)=c(NO ),c(K+)+c(H+)=c(NO )。 则电解前c(K+)=0.2mol·L-1,电解后c(H+)=0.4mol·L-1。 [例1](2016·全国卷乙)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO 可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。 下列叙述正确的是( ) A.通电后中间隔室的SO 离子向正极迁移,正极区溶液pH增大 B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品 C.负极反应为2H2O-4e-===O2+4H+,负极区溶液pH降低 D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成 [答题送检]来自阅卷名师报告 错误 致错原因 扣分 A 考生忽视阳极(正)失电子,最后得到H2SO4,pH减小 -6 C 电解池中负极区实际上是阴极,而不是原电池 -6 [解析]该装置为电解池。 H2O在正(阳)极区放电,生成O2和H+,中间隔室中的阴离子SO 通过cd膜移向正(阳)极,故正(阳)极区得到H2SO4,当电路中通过1mol电子时生成0.25molO2,正(阳)极区溶液的pH减小,H2O在负(阴)极区放电,生成OH-和H2,中间隔室中的阳离子Na+通过ab膜移向负(阴)极,故负(阴)极区可得到NaOH,负(阴)极区溶液的pH增大,B项正确。 [答案]B 1.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( D ) 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 阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,两种气体为CO2和N2,该反应在碱性条件下进行,所以应该有OH-生成,反应方程式为
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