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第六章化学反应与能量第三讲电解池及其工作原理金属的腐蚀与防护 高考化学一轮复习学案人教版
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这是一份第六章化学反应与能量第三讲电解池及其工作原理金属的腐蚀与防护 高考化学一轮复习学案人教版，共43页。学案主要包含了讲台挥洒一刻，备选例题，加固训练—拔高，思维升华等内容，欢迎下载使用。
第三讲 电解池及其工作原理 金属的腐蚀与防护
考点一 电解原理(命题指数★★★★★)
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。
2.电解池(也叫电解槽):
(1)概念:把电能转变为化学能的装置。
(2)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。
(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:CuCl2Cu+Cl2↑。
(4)电子和离子移动方向
①电子:从电源的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。
3.阴、阳两极上的放电顺序:
阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。离子的放电顺序取决于离子本身的性质即离子得失电子的能力,另外也与离子的浓度及电极材料有关。
(1)阴极:阴极上放电的总是溶液中的阳离子,与电极材料无关。阳离子放电顺序为Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+ 。(在溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+等是不会在阴极上放电的,但在熔融状态下的物质中会放电)
(2)阳极:若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。若是惰性电极作阳极,则仅是溶液中的阴离子放电,常见离子的放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极。 ( )
提示:×。电解时电子从电源负极流向电解池阴极。
(2)电解CuCl2溶液,阳极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。 ( )
提示:√。电解CuCl2溶液时,在阳极Cl-失电子变为Cl2。
(3)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。 ( )
提示:×。电解H2SO4溶液时,实际是电解H2O的过程,故溶液中c(H+)增大,pH减小。
(4)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。 ( )
提示:×。电解时,阳离子移向阴极。
(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。 ( )
提示:×。电解饱和食盐水,两极产生H2和Cl2,因此通入HCl气体即可使电解质溶液恢复到电解前的状态。
2.如图所示为一电解池装置, A、B都是惰性电极,电解质溶液c是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在U形管两边各滴入几滴酚酞试剂,试判断:
①a电极是 极(填“正”或“负”),B电极是
极(填“阴”或“阳”), 极(填“A”或“B”)酚酞试液显红色。
②A电极上的电极反应式为 ,
B电极上的电极反应式为 ;
③检验A电极上产物的方法是 。
提示:①正 阴 B
②2Cl--2e-Cl2↑
2H2O+2e-H2↑+2OH-
③把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近,试纸变蓝,则证明A电极上的产物为氯气
命题角度1:单一电解池的工作原理
【典例1】(2020·山东等级考)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是 ( )
A.阳极反应为2H2O-4e-4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
【解析】选D。a极析出氧气,氧元素的化合价升高,作电解池的阳极,b极通入氧气,生成过氧化氢,氧元素的化合价降低,被还原,作电解池的阴极。a极是阳极,属于放氧生酸性型的电解,所以阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,故A正确;电解时阳极产生氢离子,氢离子是阳离子,通过质子交换膜移向阴极,所以电解一段时间后,阳极室的pH不变,故B正确;电解过程中,阳离子移向阴极,H+由a极区向b极区迁移,C正确;电解时,阳极的反应为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,要消耗氧气,即是a极生成的氧气小于b极消耗的氧气,故D错误。
在题干条件不变的情况下,下列说法错误的是 ( )
A.a为阳极
B.通入氧气的电极反应式为O2+2e-+2H+H2O2
C.电解一段时间后,右侧溶液pH降低
D.若生成17 g双氧水,则有1 mol H+从左侧向右侧迁移
【解析】选C。依据分析a极是阳极,b极是阴极,阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应式为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,故A、B正确;电解时阳极产生氢离子通过质子交换膜移向阴极,H+在阴极发生O2+2e-+2H+H2O2而被消耗,所以电解一段时间后,阴极室的pH不变,C错误;电解时总反应为O2+2H2O2H2O2, 若生成17 g双氧水,转移1 mol电子,则有1 mol H+从左侧向右侧迁移,故D正确。
命题角度2:与原电池相连的电解池电解
【典例2】(2021·湖南模拟)在某种光电池中,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,发生反应:AgCl(s)Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着发生反应:Cl(AgCl)+e-Cl-(aq)+AgCl(s)。如图为用该光电池电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图,下列叙述正确的是 ( )
A.光电池工作时,Ag极为电流流出极,发生氧化反应
B.制氢装置溶液中K+移向A极
C.光电池工作时,Ag电极发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
D.制氢装置工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O
【解析】选D。得电子的电极发生还原反应,左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则Ag电极发生还原反应,故A错误;左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则连接Ag的电极为阳极、连接Pt的电极为阴极,制取氢气装置溶液中阳离子向阴极移动,所以K+移向B电极,故B错误;光电池工作时,Ag电极上AgCl得电子生成Ag,电极反应式为AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-,故C错误;制取氢气装置工作时,A电极为阳极,尿素失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和氮气、水,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)光电池工作时,Cl-的迁移方向是怎样的?电解池中,溶液中的OH-迁移方向是怎样的?
提示:Ag电极作正极、Pt作负极,Cl-从左侧透过膜迁移至右侧;电解池中OH-从右侧透过膜迁移至左侧。
(2)(证据推理与模型认知)若在B极生成标准状况下224 mL H2,则消耗尿素多少克?
提示:0.2 g。由电子守恒得CO(NH2)2～3H2,生成H2 0.01 mol,尿素为0.2 g。
【讲台挥洒一刻】
“串联”类装置的解题流程
【备选例题】
科学家设计了一种可以循环利用人体呼出的CO2并提供O2的装置,总反应方程式为2CO22CO+O2,下列说法不正确的是 ( )
A.由图分析N电极为负极
B.OH-通过离子交换膜迁向右室
C.反应完毕,该装置中电解质溶液的碱性增强
D.阴极的电极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-
【解析】选C。电池内部,电子向负极迁移,结合图可知,N电极为负极,P电极为正极,A正确;右边的装置与太阳能电池相连,为电解池,左边Pt电极与电池负极相连,为阴极,右边Pt电极与电池正极相连,为阳极,电解池中,阴离子向阳极移动,故OH-通过离子交换膜迁向右室,B正确;总反应方程式为2CO22CO+O2,电解质溶液pH不变,碱性不变,C错误;CO2在阴极得电子生成CO,结合电解质、电荷守恒、原子守恒可写出阴极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-,D正确。
1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极):
2.明确电解池的电极反应及其放电顺序:
3.对比掌握电解规律(阳极为惰性电极):
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O
4.电解计算中常用的三种方法:
(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起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
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.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】选B。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
CuSO4、AgNO3、
Cu(NO3)2
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
HCl
升高
电解H2O型
NaNO3、Na2SO4、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
2.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是 ( )
A.相同条件下,逸出气体的体积:A电极
C.A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
【解析】选D。S、OH-移向B电极,在B电极上OH-放电产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极上H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误;相同条件下,A电极产生的气体体积大于B电极,A项错误;两种气体均为无色无味的气体,B项错误;用惰性电极电解Na2SO4溶液的实质是电解水,电解后的溶液全部转移到同一烧杯中,充分搅拌后,溶质仍为Na2SO4,溶液呈中性,D项正确。
3.两个惰性电极插入500 mL AgNO3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.27 mg B.54 mg C.106 mg D.216 mg
【解析】选B。两极反应:阳极2H2O-4e-O2↑+4H+;阴极4Ag++4e-4Ag,电解的总反应式为4AgNO3+2H2O4Ag+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+)=(10-3 mol·L-1-10-6 mol·L-1)×0.5 L≈5×10-4 mol,
m(Ag)=5×10-4 mol×108 g·mol-1=0.054 g=54 mg。
4.(2021年辽宁适应性测试)在N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)介质中,可实现醇向醛的转化,原理如图。下列说法错误的是 ( )
A.理论上NHPI的总量在反应前后不变
B.海绵Ni电极作阳极
C.总反应为+H2↑
D.每消耗1 mmol苯甲醇,产生22.4 mL氢气
【解析】选D。NHPI与PINO是循环的,所以理论上NHPI的总量在反应前后不变,A正确;海绵Ni电极上是Ni2+Ni3+失电子是阳极,B正确;从反应流程图分析总反应式甲醇电解生成甲醛和氢气的反应,C正确;没有说明标准状况,不能确定氢气的体积,D错误。
【加固训练—拔高】
1.某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,下列说法正确的是 ( )
A.电流方向:电极 Ⅳ→→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
【解析】选A。带盐桥的①、②装置构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。A项,电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,正确;B项,原电池负极在工作中发生氧化反应,错误;C项,原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子,生成Cu,该电极质量逐渐增大,错误;D项,电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误。
2.电-Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2+发生Fenton反应:Fe2++H2O2
Fe3++OH-+·OH,生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是 ( )
A.电源的B极是正极
B.电解时阴极周围溶液的pH增大
C.阴极上发生的电极反应为O2+2e-+2H+H2O2
D.若产生4 mol羟基自由基(·OH),则消耗22.4 L O2
【解析】选D。O2在电解池的左侧得电子生成H2O2,所以A极为负极,B极为正极,A项正确;阴极上O2+2e-+2H+H2O2,电解质溶液的pH增大,B、C项正确;D项,没有指明温度和压强,不能确定氧气的体积,D项错误。
3.(2021·河南豫南九校模拟)如图所示,在一定电压下用惰性电极电解由等物质的量浓度的FeCl2、HCl组成的混合溶液。已知在此电压下,阴、阳离子根据放电顺序,都可能在阳极放电,下列分析正确的是 ( )
A.C1电极上的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑
B.C1电极处溶液首先变棕黄色
C.C2电极上可依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑
D.当C1电极上有2 g物质生成时,就会有2NA个电子通过溶液发生转移
【解析】选C。C1电极与电源的负极相连,作阴极,溶液中的H+在阴极放电,电极反应式为2H++2e-H2↑,A错误;C1电极上H+放电生成H2,C2电极与电源的正极相连,作阳极,Fe2+的还原性强于Cl-,则依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑,故C2电极处溶液首先变棕黄色,B错误,C正确;电子只能通过导线传递,不能通过溶液传递,D错误。
考点二 电解原理的应用(命题指数★★★★★)
1.氯碱工业:
(1)电极反应
阳极:2Cl--2e-Cl2↑(氧化反应);
阴极:2H++2e-H2↑(还原反应)。
(2)总反应方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(3)生产流程图
2.电镀和电解精炼铜:
电镀(Fe表面镀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+
Zn-2e-Zn2+、
Fe-2e-Fe2+、
Ni-2e-Ni2+、
Cu-2e-Cu2+
阴极
电极材料
待镀金属铁
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↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:2Na++2e-2Na。
(2)冶炼镁
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:Mg2++2e-Mg。
(3)冶炼铝
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
阳极反应式:6O2--12e-3O2↑;
阴极反应式:4A+12e- 4Al。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。 ( )
提示:×。电解精炼铜时,当开始电解时杂质Zn、Fe、Ni等活泼金属失电子,电解质溶液中Cu2+得电子,造成溶液中c(Cu2+)减小。
(2)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可电解MgO和AlCl3。 ( )
提示:×。不采用电解MgO制金属镁,因为MgO熔点高、耗能大、不经济,不能用电解AlCl3制金属铝,因为熔融AlCl3不导电。
(3)若把Cu+H2SO4CuSO4+H2↑设计成电解池,应用Cu作阴极。 ( )
提示:×。Cu被氧化为Cu2+,应作阳极。
(4)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。( )
提示:×。电解饱和食盐水时,阴极可以用金属材料作电极。
(5)在镀件上电镀铜时,待镀件应连接电源的负极。 ( )
提示:√。电镀铜时,铜应连接电源的正极作阳极,待镀件连接电源的负极作阴极。
2.完成下列各小题:
(1)电解饱和食盐水过程中,阳离子交换膜的作用为 。
(2)电解过程中A中CuSO4溶液浓度 ,而B中CuSO4溶液浓度 。
提示:(1)只允许阳离子通过,阻碍Cl2与H2混合,防止Cl2和NaOH反应 (2)逐渐减小 基本不变
命题角度1:电解原理在工业中的基本应用
【典例1】氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:
依据上图,完成下列填空:
(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为___
_______________________________,与电源负极相连的电极附近,溶液pH___
__________________ (选填“不变”“升高”或“下降”)。
(2)为有效除去工业食盐中含Ca2+、Mg2+、S杂质,加入试剂的合理顺序为__
___________ (多选)。
A.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂
B.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3
C.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3
(3)若采用无隔膜法电解冷的食盐水,Cl2与NaOH充分接触,得到的产物为NaClO和H2,则与该反应相应的化学方程式为____________________________。
【解析】(1)电解饱和食盐水,与电源正极相连的电极为阳极,电极反应式是2Cl--2e-Cl2↑;与电源负极相连的电极为阴极,电极反应式是2H++2e-H2↑,消耗H+,产生OH-,所以溶液的pH升高。
(2)除去杂质时加入Ba2+和OH-,无先后之分,但Na2CO3一定要在最后加入,因为C还要除去多余的Ba2+,过滤沉淀后即认为NaCl被提纯,选B、C。
(3)将2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑和Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O合并,即可得出答案。
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑ 升高
(2)B、C (3)NaCl+H2ONaClO+H2↑
利用食盐水制取ClO2的工业流程如图所示,装置①中的反应:NaCl+3H2O
NaClO3+3H2↑,装置②中的反应:2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O。下列关于该流程说法不正确的是 ( )
A.该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用
B.装置①中H2是阴极产物
C.装置②发生的反应中,Cl2是氧化产物,NaCl是还原产物
D.为了使H2完全转化为HCl,需要向装置③中补充Cl2
【解析】选C。电解食盐水得到氢气和NaClO3,氢气和氯气反应生成氯化氢得到浓盐酸,2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2H2O+2NaCl,该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用,故A正确;装置①是电解食盐水,溶液中氢离子在阴极得到电子生成氢气,是阴极产物,故B正确;2NaClO3+4HCl2NaCl+2ClO2↑+Cl2↑+2H2O,氯气是氧化产物,ClO2是还原产物,故C错误。
【思维升华】
两题均考查了电解食盐水的知识,不同的是电解条件不同,对应的电解产物也不相同,体现了变化观念与平衡思想的学科素养。解答时要根据题目的相关信息,利用电解原理分析电解过程,正确判断电极产物及电极反应方程式。
命题角度2:电解原理的拓展应用
【典例2】(2021·重庆模拟)用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的P以FePO4(不溶于水)的形式除去,其装置如图所示。
下列说法中正确的是 ( )
A.若X、Y电极材料连接反了,则仍可将废水中的P除去
B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应
C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D.电解时废水中会发生反应:4Fe2++O2+4H++4P4FePO4↓+2H2O
【解析】选D。根据题意分析,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨,若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;Y电极材料为石墨,该电极发生还原反应,B项错误;电解过程中Y极上发生的反应为2H++2e-H2↑,氢离子浓度减小,溶液的pH变大,C项错误;铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与P反应生成FePO4,D项正确。
(1)(宏观辨识与微观探析)根据题目分析电解除磷时为什么用铁作阳极?
提示:阳极在直流电源作用下电解产生Fe2+,Fe2+可进一步被氧化生成Fe3+,提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。
(2)(证据推理与模型认知)用铁作电极,利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,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该作什么电极?
提示:阳极产生ClO-,发生的反应为Cl-+2OH--2e-ClO-+H2O,所以铁电极作阴极。
【备选例题】
利用电化学原理还原CO2制取ZnC2O4的装置如图所示
(电解液不参加反应),下列说法正确的是 ( )
A.可用H2SO4溶液作电解液
B.阳离子交换膜的主要作用是增强导电性
C.工作电路中每流过0.02 mol电子,Zn电极质量减重0.65 g
D.Pb电极的电极反应式是2CO2-2e-C2
【解析】选C。如果用H2SO4溶液作电解液,溶液中氢离子会在正极得电子生成氢气,影响2CO2+2e-C2反应的发生,A错误;用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开,它具有选择透过性,它只允许阳离子透过,其他离子难以透过,B错误;Zn电极为负极,发生氧化反应,Zn-2e-Zn2+,当电路中每流过0.02 mol电子,消耗锌0.01 mol,质量为0.65 g,C正确;Pb电极为正极,发生还原反应,2CO2+2e-
C2,D错误。
电解原理应用的注意事项
(1)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混合发生爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱的质量。
(2)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为阳极;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。
(3)电解精炼铜时,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,其他活泼性弱于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
(4)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,因此电镀液中电解质的浓度保持不变。
命题点1:电解原理的常规应用(基础性考点)
1.(2021年重庆适应性测试)双极膜在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是 ( )
A.出口2的产物为HBr溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-可从盐室最终进入阳极液中
D.阴极电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选D。钠离子通过阳极膜进入交换室1和双极膜产生的氢氧根形成氢氧化钠,所以出口2的产物是氢氧化钠溶液,A错误;溴离子通过阴离子交换膜进入交换室2和双极膜产生的氢离子形成溴化氢溶液,出口4产物为HBr溶液,钠离子不能通过双极膜,出口5不是硫酸,则Br-不会从盐室最终进入阳极液中,B、C错误;电解硫酸钠溶液阴极是氢离子得电子变为氢气,D正确。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述错误的是(已知:氧化性Fe2+
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等
C.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有Cu和Pt
D.电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Zn2+和Ni2+
【解析】选A。电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属按还原性顺序Zn>Fe>Ni>Cu>Pt发生氧化反应,电极反应依次为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,A项错误;电解过程中,阳极Zn、Fe、Ni溶解,Cu、Pt沉积到电解槽底部,阴极只析出Ni,结合两极转移的电子数相等,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等,B项正确;Cu和Pt还原性比Ni弱,不能失去电子,以沉淀的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥,C项正确;电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,D项正确。
命题点2:电解原理在物质制备方面的应用(应用性考点)
3.O3是一种常见的绿色氧化剂,可由臭氧发生器电解稀硫酸制得,原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.电极a为阴极
B.a极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O
C.电解一段时间后b极周围溶液的pH下降
D.标准状况下,当有5.6 L O2反应时,收集到O2和O3混合气体4.48 L,O3的体积分数为80%
【解析】选D。电极b上生成O2和O3,则电极b上发生失电子的氧化反应,则电极b为阳极,电极a为阴极,A项正确;电极a的电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O,B项正确;电极b上H2O失去电子,发生氧化反应生成O2、O3和H+,故电解一段时间后b极周围溶液的pH下降,C项正确;标准状况下,当有5.6 L氧气参加反应时,转移电子1 mol,设收集到氧气为x mol,臭氧为y mol,则有x+y=0.2,4x+6y=1,解得x=y=0.1,故O3的体积分数为50%,D项错误。
4.常温下,NCl3是一种黄色黏稠状液体,是制备新型水消毒剂ClO2的原料,可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是 ( )
A.每生成1 mol NCl3,理论上有4 mol H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移
B.可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C.石墨极的电极反应式为N+3Cl--6e-NCl3+4H+
D.电解过程中,质子交换膜右侧溶液的pH会减小
【解析】选C。A项,每生成1 mol NCl3,转移6 mol e-,理论上有6 mol H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移,A错误;B项,M为H2,不能用湿润的淀粉KI试纸检验,B错误;D项,右侧pH会增大,D错误。
命题点3:电解原理在环境治理方面的应用(应用性考点)
5.化学在环境保护中起着十分重要的作用,电化学降解N的原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.A为电源的正极
B.溶液中H+从阳极向阴极迁移
C.Ag-Pt电极的电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O
D.电解过程中,每转移2 mol电子,则左侧电极就产生32 g O2
【解析】选D。根据题给电解装置图可知,Ag-Pt电极上N转化为N2,发生还原反应:2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,则Ag-Pt电极作阴极,B为电源的负极,故A为电源的正极,A、C项正确;在电解池中阳离子向阴极移动,所以溶液中H+从阳极向阴极迁移,B项正确;左侧电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,则每转移2 mol电子,左侧电极产生16 g O2,D项错误。
【加固训练—拔高】
1.采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。如图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。下列说法中正确的是 ( )
A.Zn与电源的负极相连
B.ZnC2O4在交换膜右侧生成
C.电解的总反应为2CO2+ZnZnC2O4
D.通入11.2 L CO2时,转移0.5 mol电子
【解析】选C。电解过程中Zn被氧化,作阳极,所以Zn与电源的正极相连,A错误;Zn2+透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2形成ZnC2O4,B错误;没有给出气体所处的温度和压强,D错误。
2.SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是 ( )
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生还原反应
B.阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol
C.吸收池中发生反应的离子方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS
D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2OS+4H+
【解析】选D。A项,阴极发生还原反应,亚硫酸氢根离子得电子生成S2,a是直流电源的负极,正确;B项,阴极发生还原反应,电极反应式为2HS+2e-+2H+S2+2H2O,阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol,正确;C项,S2与一氧化氮发生氧化还原反应,生成氮气,离子反应方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS,正确;D项,阳极发生失去电子的氧化反应,错误。
3.如图为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,为实现铁上镀锌,接通后,使c、d两点短路。下列叙述正确的是 ( )
A.a为直流电源的负极
B.c极发生的反应为2H++2e-H2↑
C.f电极为锌板
D.e极发生还原反应
【解析】选B。为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,则c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,d电极上氯离子放电生成氯气,则a是直流电源正极,b是直流电源负极;为实现铁上镀锌,接通K后,使c、d两点短路,e是电解池阳极,f是阴极,电镀时,镀层作阳极,待镀件作阴极。A项,a是直流电源正极,错误;B项,接通前,c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,则c极发生的反应为2H++2e-H2↑,正确;C项,为实现铁上镀锌,锌作阳极,铁作阴极,所以e电极为锌板,错误;D项,e电极是阳极,阳极上失电子发生氧化反应,错误。
4.(2021·齐齐哈尔模拟)电解合成1,2-二氯乙烷的实验装置如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.该装置工作时,化学能转变为电能
B.CuCl2能将C2H4还原为1, 2-二氯乙烷
C.X、Y依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
D.该装置总反应为CH2CH2+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl
【解析】选D。该装置为电解池,则工作时,电能转变为化学能,A项错误;C2H4中C元素化合价为-2价,ClCH2CH2Cl中C元素化合价为-1价,则CuCl2能将C2H4氧化为1,2-二氯乙烷,故B项错误;该电解池中,阳极发生的电极反应式为CuCl-e-+Cl-
CuCl2,阳极区需要氯离子参与,则X为阴离子交换膜,而阴极区发生的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,有阴离子生成,为保持电中性,需要电解质溶液中的钠离子,则Y为阳离子交换膜,故C项错误;装置中阳极首先发生反应:CuCl-e-
+Cl-CuCl2,生成的CuCl2再继续与C2H4反应生成1,2-二氯乙烷和CuCl,在阳极区循环利用,而阴极水中的氢离子放电生成氢气,其总反应方程式为CH2CH2
+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl,故D项正确。
5.[Fe(CN)6]3-可将气态废弃物中的硫化氢氧化为可利用的硫,自身被还原为[Fe(CN)6]4-。工业上常采用如图所示的电解装置,通电电解,然后通入H2S加以处理。下列说法不正确的是 ( )
A.电解时,阳极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-
B.电解时,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C
C.当电解过程中有标准状况下22.4 L H2生成时,溶液中有32 g S析出(溶解忽略不计)
D.整个过程中需要不断补充K4[Fe(CN)6]与KHCO3
【解析】选D。电解时,阳极上[Fe(CN)6]4-失去电子,阳极的电极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-,A正确;阴极上HC放电,发生还原反应,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C,B正确;标准状况下22.4 L H2的物质的量为1 mol,则转移2 mol电子。H2S失去2 mol电子,生成1 mol单质S,即析出32 g S,C正确;根据以上分析可知,反应的结果相当于是H2S被电解生成H2和S,所以不需要补充K4[Fe(CN)6]和KHCO3,D错误。
考点三 电极反应式的书写与判断(命题指数★★★★★)
1.原电池电极反应式的书写:
书写电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个电极反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个电极反应:
正极:2Fe3++2e-2Fe2+
负极:Cu-2e-Cu2+
(2)加减法。
①写出总反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个电极反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
2.燃料电池电极反应式的书写:
第一步:写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2CO2+2H2O①
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-2H2O;
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-2O2-;
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-2C。
第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式,电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
3.电解池电极反应式的书写:
(1)步骤
(2)注意事项
①书写电解池的电极反应式时,可以用实际放电的离子表示,但书写电解池的总反应时,H2O要写成分子式。如用惰性电极电解食盐水时,阴极反应式为2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-),总反应式为2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。
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。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)用石墨作电极电解CuSO4溶液的方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。 ( )
提示:√。溶液中Cu2+和OH-生成Cu和O2。
(2)在Mg-NaOH(aq)-Al电池中负极反应为Al-3e-+4OH-Al+2H2O。 ( )
提示:√。碱性条件下,Al与NaOH溶液发生反应,作负极。
(3)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↑。 ( )
提示:×。活性金属作阳极时,金属首先失电子被氧化,故阳极反应为Cu-2e-Cu2+。
(4)甲烷燃料电池在碱性环境下负极的反应式为CH4-8e-+2H2OCO2+8H+。 ( )
提示:×。碱性电解质溶液环境下电极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O。
(5)以Fe为阳极,电解处理含Cr2的废水,铬最终以Cr(OH)3沉淀除去,则阳极反应为Fe-3e-Fe3+。 ( )
提示:×。阳极反应为Fe-2e-Fe2+,Cr2与Fe2+发生氧化还原反应生成Cr3+和Fe3+,Cr3+和Fe3+与阴极区放电生成的OH-反应生成氢氧化物沉淀。
2.按要求书写电极反应式
(1)用惰性电极电解NaCl溶液:
①阳极:____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(2)用惰性电极电解CuSO4溶液:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(3)用惰性电极电解熔融MgCl2:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(4)铁作阳极,石墨作阴极电解NaOH溶液:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
提示:(1)①2Cl--2e-Cl2↑
②2H++2e-H2↑
(2)①4OH--4e-2H2O+O2↑(或2H2O-4e-O2↑+4H+)
②2Cu2++4e-2Cu
(3)①2Cl--2e-Cl2↑
②Mg2++2e-Mg
(4)①Fe-2e-+2OH-Fe(OH)2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
命题角度1:原电池电极反应式的书写与判断
【典例1】2019 年 5 月,香港理工大学宣布研发出超柔软高效能织物[柔性S/ HPCNF (分级多孔碳纳米纤维)]锂空气二次电池,在 S/ HPCNF 织物上均匀地沉积铜和镍,取代一般锂电池表面的金属箔, 以提高柔软度,电池的工作原理如图:
按要求书写电极反应式:
①放电时,Li发生的电极反应为 _____________________________________。
②充电时,阳极的电极反应为 _______________________________________。
【解析】①由图示可知放电时,Li失去电子生成Li+,电极反应为Li-e-Li+。
②充电时,阳极发生氧化反应,电极反应为放电反应的逆过程,即Li2O2-2e-O2↑+2Li+。
答案:①Li-e-Li+
②Li2O2-2e-O2↑+2Li+
在题干条件不变的情况下,下列有关说法错误的是 ( )
A.放电时,O2发生还原反应
B.沉积铜和镍是为了增强织物的导电性
C.充电时,Li+移向金属锂一极
D.电池工作时,电子的流向为金属锂电极→有机电解质溶液→柔性S/HPCNF电极
【解析】选D。放电时,氧原子得电子,化合价降低,发生还原反应,故A正确;铜和镍是金属,属于导体,沉积铜和镍是为了增强织物的导电性,故B正确;充电时,阳离子移向阴极,Li+移向金属锂一极,故C正确;电子不能在有机电解质溶液中移动,故D错误。
【备选例题】
硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。由硫化氢获得硫单质有多种方法。将用烧碱吸收H2S后所得的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-S (n-1)S+S2-
①写出电解时阴极的电极反应式: ____________________________________。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成
____________________________________________。
【解析】①电解时,阴极区溶液中的阳离子放电,即水溶液中的H+放电生成H2。②由题给反应可知,阳极区生成了,可以理解为(n-1)S+S2-,加入稀硫酸生成S单质和H2S气体。
答案:①2H2O+2e-H2↑+2OH-
②+2H+(n-1)S↓+H2S↑
命题角度2:电解池电极反应式的书写
【典例2】(2021年广东适应性测试)环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒,一种制备方法为:使用惰性电极电解KCl溶液,用Cl-交换膜将电解液分为阴极区和阳极区,其中一区持续通入乙烯;电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-Cl-+H2O+C2H4O。下列说法错误的是 ( )
A.乙烯应通入阴极区
B.移出交换膜前存在反应Cl2+H2OHCl+HClO
C.使用Cl-交换膜阻止OH-通过,可使Cl2生成区的pH逐渐减小
D.制备过程的总反应为:H2CCH2+H2OH2↑+C2H4O
【解析】选A。根据题意,电解时两区分别生成HOCH2CH2Cl、OH-,可推知,阴极区反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑,C2H4则在阳极区反应,生成HOCH2CH2Cl,A错误;阳极区涉及反应包括:2Cl--2e-Cl2↑,Cl2+H2OHCl+HClO,HClO+C2H4HOCH2CH2Cl,B正确;由于Cl-交换膜的存在,Cl2与OH-不相互接触,阳极区总反应为2Cl--2e-+H2O+C2H4HOCH2CH2Cl+HCl,因此pH下降,C正确;由阳极区总反应、阴极反应以及两极混合反应,三个反应相加,可得总反应为C2H4+H2OH2↑+C2H4O。
1.可充电电池电极反应式的书写技巧:
书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电时的电极反应式。书写放电时的电极反应式时,一般要有三个步骤:
第一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质;
第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液反应);
第三,在电子守恒的基础上,利用总反应式减去写出的电极反应式即可得到另一电极反应式。
2.“信息型”电解池电极反应式的书写技巧:
①仔细分析“文字”信息或“图片”信息,找出阴、阳极及电解质溶液。
②可利用阴、阳离子在阳极、阴极的放电顺序或题目信息确定电极产物,利用电荷守恒思想配平。
命题点1:基本电极反应式的书写(基础性考点)
1.以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应式
(1)酸性溶液
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(2)碱性溶液
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(3)固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(C)
正极通入CO2: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
答案:(1)正极:O2+6e-+6H+3H2O
负极:CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+
(2)正极:O2+6e-+3H2O6OH-
负极:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
(3)正极:O2+6e-3O2-
负极:CH3OH-6e-+3O2-CO2+2H2O
(4)正极:O2+6e-+3CO23C
负极:CH3OH-6e-+3C4CO2+2H2O
2.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)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: ____________________________________________。
(2)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式: ____________________________________________;
阴极反应式: ____________________________________________;
总反应离子方程式: ____________________________________________。
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑
Mg2++2H2O+2e-H2↑+Mg(OH)2↓
Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+
6H++6e-3H2↑
2Al+3H2OAl2O3+3H2↑
命题点2:“信息型”电极反应式的书写与判断(应用性考点)
3.(1)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂,KOH作电解质。
负极反应式为____________________________________________;
正极反应式为____________________________________________。
(2)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池,电池反应方程式为2AgCl+MgMg2++2Ag+2Cl-。
①负极反应式为____________________________________________;
②正极反应式为____________________________________________。
【解析】根据装置可知N2H4→N2为氧化反应,在负极上发生反应。
答案:(1)N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O
O2+4e-+2H2O4OH-
(2)①Mg-2e-Mg2+
②2AgCl+2e-2Ag+2Cl-
【加固训练—拔高】
1.我国科学家发明了一种“可固氮”的镁-氮二次电池,其装置如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.固氮时,电池的总反应为3Mg+N2Mg3N2
B.脱氮时,钌复合电极的电极反应式为Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑
C.固氮时,外电路中电子由钌复合电极流向镁电极
D.当无水LiCl-MgCl2混合物受热熔融后电池才能工作
【解析】选C。固氮时该装置为原电池装置,镁为活泼金属,作负极,被氧化成Mg2+,钌复合电极为正极,氮气在电极上发生还原反应生成N3-,与熔融电解质中镁离子生成Mg3N2,所以总反应为3Mg+N2Mg3N2,故A正确;脱氮时,-3价的氮要被氧化,
钌复合电极应发生氧化反应,Mg3N2失电子发生氧化反应生成氮气,电极反应:Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑,故B正确;固氮时,镁电极为负极,外电路中电子由负极镁电极流向钌复合电极,故C错误;无水LiCl-MgCl2混合物常温下为固体,无自由移动离子,不能导电,受热熔融后产生自由移动离子导电,电池才能工作,故D正确。
2.(2021年全国高考冲刺压轴卷)我国科学家设计二氧化碳熔盐捕获及电化学转化装置,其示意图如下:
下列说法正确的是 ( )
A.b为电源的负极,d为电解池的阳极
B.过程①②中捕获CO2时碳的化合价发生了变化
C.a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑
D.上述装置中总反应的化学方程式为C+O2CO2
【解析】选C。a电极为C2失去电子,发生氧化反应生成氧气,d电极为碳酸根离子得到电子,发生还原反应生成碳,总反应为CO2C+O2。a电极发生氧化反应,是电解池的阳极,连接的为正极,即b为正极,A错误; 过程①捕获CO2时生成的C2的碳元素的化合价是+4价,②捕获CO2时生成的C的碳元素的化合价是+4价,碳的化合价均未发生变化,B错误;由电解装置可知, a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑,C正确; 由电解装置可知,a电极生成氧气,d电极生成碳单质,电解总反应为CO2C+O2,D错误。
3.按要求书写电极反应式
(1)电解装置如图,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-I+5I-+3H2O
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2,当吸收液失去吸收能力时,可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极),并生成化工原料硫酸。其工作示意图如下。
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
答案:(1)①2I--2e-I2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
(2)①HS-2e-+H2O3H++S
②2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-)
考点四 金属的腐蚀与防护(命题指数★★★★)
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较:
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟干燥气体或非电解质液体接触
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的比较:
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强
水膜酸性很弱或呈中性
电极
反应
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
联系
吸氧腐蚀更普遍
铁锈的形成:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·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。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)纯银器在空气中因电化学腐蚀表面渐渐变暗。( )
提示:×。Ag与O2直接接触发生化学反应而使表面渐渐变暗。
(2)金属的化学腐蚀比电化学腐蚀更普遍。 ( )
提示:×。金属的电化学腐蚀更普遍。
(3)生铁浸泡在食盐水中发生析氢腐蚀。 ( )
提示:×。食盐水为中性溶液,生铁发生吸氧腐蚀。
(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。 ( )
提示:×。由于铁比锡活泼,锡层破损后,形成原电池,铁作负极,腐蚀加快。
(5)牺牲阳极的阴极保护法是利用电解原理防腐蚀。( )
提示:×。牺牲阳极的阴极保护法是利用原电池原理防腐。
(6)将水库中的水闸(钢板)与外加直流电源的负极相连,可防止水闸被腐蚀。 ( )
提示:√。外加电流的阴极保护法是把被保护的器件作阴极,与外加电源负极相连。
2.如图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
(1)该电化学腐蚀是哪种类型的腐蚀?
(2)图中A、B、C、D四个区域,生成铁锈最多的是哪个区域?
提示:(1)吸氧腐蚀 (2)B
命题角度1:金属的腐蚀
【典例1】深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示,下列与此原理有关说法错误的是 ( )
A.正极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-
B.输送暖气的管道不易发生此类腐蚀
C.这种情况下,Fe腐蚀的最终产物为Fe2O3·xH2O
D.管道上刷富锌油漆可以延缓管道的腐蚀
【以图析题·培养关键能力】
【解析】选C。原电池的正极发生还原反应,由题图可知,发生的电极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-,故A正确;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化作用,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B正确;由题图可知,Fe腐蚀的最终产物为Fe2+,故C错误;管道上刷富锌油漆,形成Zn-Fe原电池,Fe为正极被保护,可以延缓管道的腐蚀,故D正确。
【备选例题】
(2021·金华模拟)如图所示装置,均盛有等体积等浓度的稀硫酸,工作相同的时间后测得均通过n mol e-。下列叙述错误的是(不考虑溶液体积的变化) ( )
A.铁棒的腐蚀程度:甲<乙
B.石墨电极上发生反应的电极反应式相同
C.溶液的pH:甲减小,乙增大
D.甲、乙产生气体的体积(相同条件)比为3∶2
【解析】选B。A.甲中Fe作阴极,被保护,乙中铁作负极被腐蚀,所以铁棒的腐蚀程度:甲<乙,故A正确;B.甲中石墨电极上氢氧根离子放电生成氧气,乙中石墨电极上氢离子放电生成氢气,所以二者电极反应式不同,故B错误;C.甲中电池反应式为2H2O2H2↑+O2↑,乙中电池反应式为Fe+2H+H2↑+Fe2+,甲中硫酸浓度增大、乙中硫酸浓度减小,所以溶液的pH:甲减小,乙增大,故C正确;D.假设都转移4 mol电子,甲中生成气体的物质的量为3 mol、乙中生成气体的物质的量为2 mol,所以相同条件下气体的体积之比为3∶2,故D正确。
命题角度2:金属的防护
【典例2】(2020·江苏高考)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是 ( )
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.金属M的活动性比Fe的活动性弱
C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
【解析】选C。A项,该装置为原电池,阴极处为正极,参与电极反应的可能是O2或是溶液中的H+,错误;B项,M比Fe活泼,M将电子转移至Fe处,错误;C项,Fe表面有M传过来的电子,则O2或H+得到的电子不是Fe失去的电子,故Fe被保护,正确;D项,海水中存在电解质溶液,所以更容易发生电化学腐蚀,错误。
人教版选修4教材P86:牺牲阳极法示意图如图:
教材描述牺牲阳极法通常是在被保护的钢铁设备上安装若干镁合金或锌块,镁、锌比铁活泼,它们就成为原电池的负极,不断遭受腐蚀,而作为正极的钢铁设备就被保护起来。
(1)为了减小某水库的铁闸门被腐蚀的速率,连接在铁闸门上的固体材料可以采用 (填写字母序号)。
A.铜 B.钠 C.锌 D.石墨
(2)如图所示的方案也可以减小铁闸门的腐蚀速率,其中铁闸门应该连接在直流电源的 极。
(3)在海洋工程上,通常用铝合金(Al-Zn-Cd)保护海底钢铁设施,其中负极发生的电极反应为 ____________________________________________;
在实际应用中,用铝合金而不选用纯铝,纯铝不能很好地起到保护作用,其原因是 ____________________________________________。
【解析】Fe发生吸氧腐蚀,常见保护方法有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
答案:(1)C (2)负 (3)Al-3e-Al3+ 铝表面易被氧化,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,使金属铝呈现“惰性”
判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢:电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
(2)对同一金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(浓度相同)
(3)活泼性不同的两种金属,活泼性差异越大,腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
命题点1:金属腐蚀与防护(基础性考点)
1.泰山站是中国在南极建设的第四个科学考察站。为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M)。下列说法正确的是 ( )
A.金属块M可能是铜,发生氧化反应
B.这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法
C.科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生化学腐蚀
D.若采用外加电流的阴极保护法,设备与电源正极相连
【解析】选B。如果金属块M是铜,铜与钢铁设备构成原电池时,铁为负极,腐蚀速率加快,故A错误;为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M),M应该充当原电池的负极,这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法,故B正确;科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生电化学腐蚀,故C错误;若采用外加电流的阴极保护法,钢铁设备应该与电源负极相连,充当电解池的阴极,被保护,故D错误。
2.高压直流电线路的瓷绝缘子经日晒雨淋容易出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽腐蚀,防护原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.通电时,锌环是阳极,发生氧化反应
B.通电时,阴极上的电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.断电时,锌环上的电极反应为Zn2++2e-Zn
D.断电时,仍能防止铁帽被腐蚀
【解析】选C。通电时,锌环与电源正极相连,作阳极,发生氧化反应,A项正确;通电时,铁帽为阴极,发生还原反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项正确;断电时,形成原电池,锌环为负极,发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+,C项错误;断电时,形成原电池,铁帽为正极,此为牺牲阳极的阴极保护法,仍能防止铁帽被腐蚀,D项正确。
命题点2:金属的腐蚀试验探究(综合性考点)
3.某化学小组通过手持技术探究铁钉在4种溶液中的吸氧腐蚀实验,相关数据如表所示。
实验装置
实验
编号
浸泡液
pH
氧气体积分数随时间的变化
①
1.0 mol·L-1NH4Cl
5
②
0.5 mol·L-1(NH4)2SO4
5
③
1.0 mol·L-1NaCl
7
④
0.5 mol·L-1Na2SO4
7
已知铁在负极被氧化的过程由3个步骤构成:①Fe+H2O-e-Fe(OH)ads(吸附物)+H+;②Fe(OH)ads(吸附物)-e-FeOH+;③FeOH++H+Fe2++H2O。下列说法错误的是 ( )
A.铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.上述实验的正极反应式均为O2+4e-+4H+2H2O
C.300 min内,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液>中性溶液
D.曲线先陡后平可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物生成,阻碍反应继续进行
【解析】选B。由题给信息知,铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+,故A正确;吸氧腐蚀是在中性或弱酸性环境中发生的,故正极反应式均为O2+4e-+2H2O4OH-,故B错误;①②溶液显酸性,③④溶液显中性,根据图象可知,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液大于中性溶液,故C正确;氧气体积分数下降曲线先陡后平,一方面是由于氧气体积分数降低后使腐蚀速率变慢,另一方面也可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物的生成,氢氧化物覆盖在铁钉表面阻碍反应继续进行,故D正确。
1.(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色,对于该变化过程,下列叙述错误的是 ( )
A.Ag为阳极
B.Ag+由银电极向变色层迁移
C.W元素的化合价升高
D.总反应为:WO3+xAgAgxWO3
【解析】选C。由外加电源可知该装置为电解装置。由“通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3”可知,Ag为阳极,Ag+由银电极向变色层(阴极)迁移,A、B正确;WO3生成AgxWO3,W的化合价降低x价,C错误;阳极电极反应式为xAg-xe-
xAg+,阴极电极反应式为WO3+xe-+xAg+AgxWO3,两极电极反应式相加得总反应式为WO3+xAgAgxWO3。
2.(2020·浙江7月选考)电解高浓度RCOONa(羧酸钠)的NaOH溶液,在阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)。下列说法不正确的是 ( )
A.电解总反应方程式:2RCOONa+2H2OR—R+2CO2↑+H2↑+2NaOH
B.RCOO-在阳极放电,发生氧化反应
C.阴极的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
D.电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷
【解析】选A。因为阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)和生成CO2,在强碱性环境中,CO2会与OH-反应生成C和H2O,故阳极的电极反应式为2RCOO--2e-+4OH-
R—R+2C+2H2O,阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,因而电解总反应方程式为2RCOONa+2NaOH
R—R+2Na2CO3+H2↑,A说法不正确;RCOO-在阳极放电,电极反应式为2RCOO-
-2e-+4OH-R—R+2C+2H2O,—COO-中碳元素的化合价由+3价升高为+4价,发生氧化反应,烃基—R中元素的化合价没有发生变化,B说法正确;阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑,C说法正确;根据题中信息,由上述电解总反应方程式可以确定下列反应能够发生:2CH3COONa+2NaOHCH3—CH3+2Na2CO3+H2↑,2CH3CH2COONa+2NaOHCH3CH2—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑,CH3COONa+CH3CH2COONa+2NaOHCH3—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑。因此,电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷,D说法正确。
3.(2019·全国Ⅲ卷)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有_________________________________(写反应方程式)。
电路中转移1 mol电子,需消耗氧气 L(标准状况)。
【解析】根据示意图中H+的流动方向可以判断电源的正负极情况,左侧为负极,右侧为正极。根据示意图中负极区物质的转化可以写出相应的方程式:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。在反应中,1 mol O2得到4 mol电子,所以转移1 mol电子时消耗氧气0.25 mol,在标准状况下的体积为5.6 L。
答案:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 5.6
【加固训练—拔高】
1.(2018·北京高考)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的 3% NaCl 溶液)。
①
②
③
在Fe表面生
成蓝色沉淀
试管内无
明显变化
试管内生成
蓝色沉淀
下列说法不正确的是 ( )
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
【解析】选D。根据实验②的现象可知,在酸化的3%NaCl溶液中Fe电极未溶解,根据实验③的现象可知,Fe在酸化的3%NaCl溶液生成了Fe2+,两者对照,可以判定Zn保护了Fe,A正确;根据实验②取出Fe附近的溶液,滴加K3[Fe(CN)6]溶液,无明显变化,可知Fe电极附近未生成Fe2+,而实验①中Fe表面变蓝,说明K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化,B、C正确;将Zn换成Cu,用①的方法K3[Fe(CN)6]可将Fe氧化,Fe表面也会生成蓝色沉淀,不能根据电化学原理判断Fe比Cu活泼。
2.(1)(2019·全国Ⅱ卷)环戊二烯()可用于制备二茂铁(Fe(C5H5)2,结构简式为),后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为__________________________________________, 总反应为__________________________________________________。电解制备需要在无水条件下进行,原因为____________________________。
(2)(2019·北京高考)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时,连接 。产生H2的电极反应式是________________。
②改变开关连接方式,可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:_________。
【解析】(1)由原理图可知,Fe电极的铁生成Fe2+,发生氧化反应,Fe电极为电解池的阳极;由图可知有H2生成,电解池的总反应为Fe+2+H2↑。中间物Na能与水反应,且水会电解生成OH-,与Fe2+反应生成Fe(OH)2,故电解制备需要在无水条件下进行。
(2)①电极生成H2时,根据电极放电规律可知H+得到电子变为氢气,因而电极须连接负极,因而制取H2时,连接K1,该电池在碱性溶液中,由H2O提供H+,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用。
答案:(1)Fe电极 Fe+2+H2↑(Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑)
水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
(2)①K1 2H2O+2e-H2↑+2OH-
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用
1.电解池组成“3条件”:
(1)外接电源;(2)电解质溶液;(3)闭合回路。
2.离子放电“2顺序”(惰性电极):
(1)阳极:S2->I->Br->Cl->OH-。
(2)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(H2O)>Al3+。
3.电解池阴、阳极“4特点”:
(1)阳极:外接直流电源正极——流出电子——发生氧化反应——阴离子移向。
(2)阴极:外接直流电源负极——流入电子——发生还原反应——阳离子移向。
4.电解原理应用的“4方面”:
(1)电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(2)电镀时,待镀的金属制品作阴极,镀层金属作阳极,用含镀层金属离子的溶液作电镀液。
(3)电解精炼铜时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用CuSO4溶液作电解液。
(4)电解熔融Al2O3制取铝,电解熔融氯化钠制取钠,电解熔融MgCl2制取镁。
5.金属的2种腐蚀与3种保护:
(1)两种腐蚀:析氢腐蚀、吸氧腐蚀(关键在于电解液的pH)。
(2)三种保护:电镀保护、牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法。
第三讲 电解池及其工作原理 金属的腐蚀与防护
考点一 电解原理(命题指数★★★★★)
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。
2.电解池(也叫电解槽):
(1)概念:把电能转变为化学能的装置。
(2)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。
(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:CuCl2Cu+Cl2↑。
(4)电子和离子移动方向
①电子:从电源的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。
3.阴、阳两极上的放电顺序:
阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。离子的放电顺序取决于离子本身的性质即离子得失电子的能力,另外也与离子的浓度及电极材料有关。
(1)阴极:阴极上放电的总是溶液中的阳离子,与电极材料无关。阳离子放电顺序为Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+ 。(在溶液中Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+等是不会在阴极上放电的,但在熔融状态下的物质中会放电)
(2)阳极:若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。若是惰性电极作阳极,则仅是溶液中的阴离子放电,常见离子的放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极。 ( )
提示:×。电解时电子从电源负极流向电解池阴极。
(2)电解CuCl2溶液,阳极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。 ( )
提示:√。电解CuCl2溶液时,在阳极Cl-失电子变为Cl2。
(3)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。 ( )
提示:×。电解H2SO4溶液时,实际是电解H2O的过程,故溶液中c(H+)增大,pH减小。
(4)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。 ( )
提示:×。电解时,阳离子移向阴极。
(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。 ( )
提示:×。电解饱和食盐水,两极产生H2和Cl2,因此通入HCl气体即可使电解质溶液恢复到电解前的状态。
2.如图所示为一电解池装置, A、B都是惰性电极,电解质溶液c是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在U形管两边各滴入几滴酚酞试剂,试判断:
①a电极是 极(填“正”或“负”),B电极是
极(填“阴”或“阳”), 极(填“A”或“B”)酚酞试液显红色。
②A电极上的电极反应式为 ,
B电极上的电极反应式为 ;
③检验A电极上产物的方法是 。
提示:①正 阴 B
②2Cl--2e-Cl2↑
2H2O+2e-H2↑+2OH-
③把湿润的淀粉碘化钾试纸放在A电极附近,试纸变蓝,则证明A电极上的产物为氯气
命题角度1:单一电解池的工作原理
【典例1】(2020·山东等级考)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是 ( )
A.阳极反应为2H2O-4e-4H++O2↑
B.电解一段时间后,阳极室的pH未变
C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移
D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
【解析】选D。a极析出氧气,氧元素的化合价升高,作电解池的阳极,b极通入氧气,生成过氧化氢,氧元素的化合价降低,被还原,作电解池的阴极。a极是阳极,属于放氧生酸性型的电解,所以阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,故A正确;电解时阳极产生氢离子,氢离子是阳离子,通过质子交换膜移向阴极,所以电解一段时间后,阳极室的pH不变,故B正确;电解过程中,阳离子移向阴极,H+由a极区向b极区迁移,C正确;电解时,阳极的反应为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,要消耗氧气,即是a极生成的氧气小于b极消耗的氧气,故D错误。
在题干条件不变的情况下,下列说法错误的是 ( )
A.a为阳极
B.通入氧气的电极反应式为O2+2e-+2H+H2O2
C.电解一段时间后,右侧溶液pH降低
D.若生成17 g双氧水,则有1 mol H+从左侧向右侧迁移
【解析】选C。依据分析a极是阳极,b极是阴极,阳极的反应式是2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的反应式为O2+2e-+2H+H2O2,总反应为O2+2H2O2H2O2,故A、B正确;电解时阳极产生氢离子通过质子交换膜移向阴极,H+在阴极发生O2+2e-+2H+H2O2而被消耗,所以电解一段时间后,阴极室的pH不变,C错误;电解时总反应为O2+2H2O2H2O2, 若生成17 g双氧水,转移1 mol电子,则有1 mol H+从左侧向右侧迁移,故D正确。
命题角度2:与原电池相连的电解池电解
【典例2】(2021·湖南模拟)在某种光电池中,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,发生反应:AgCl(s)Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着发生反应:Cl(AgCl)+e-Cl-(aq)+AgCl(s)。如图为用该光电池电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图,下列叙述正确的是 ( )
A.光电池工作时,Ag极为电流流出极,发生氧化反应
B.制氢装置溶液中K+移向A极
C.光电池工作时,Ag电极发生的反应为2Cl--2e-Cl2↑
D.制氢装置工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O
【解析】选D。得电子的电极发生还原反应,左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则Ag电极发生还原反应,故A错误;左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则连接Ag的电极为阳极、连接Pt的电极为阴极,制取氢气装置溶液中阳离子向阴极移动,所以K+移向B电极,故B错误;光电池工作时,Ag电极上AgCl得电子生成Ag,电极反应式为AgCl(s)+e-Ag(s)+Cl-,故C错误;制取氢气装置工作时,A电极为阳极,尿素失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和氮气、水,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-C+N2↑+6H2O,故D正确。
(1)(变化观念与平衡思想)光电池工作时,Cl-的迁移方向是怎样的?电解池中,溶液中的OH-迁移方向是怎样的?
提示:Ag电极作正极、Pt作负极,Cl-从左侧透过膜迁移至右侧;电解池中OH-从右侧透过膜迁移至左侧。
(2)(证据推理与模型认知)若在B极生成标准状况下224 mL H2,则消耗尿素多少克?
提示:0.2 g。由电子守恒得CO(NH2)2～3H2,生成H2 0.01 mol,尿素为0.2 g。
【讲台挥洒一刻】
“串联”类装置的解题流程
【备选例题】
科学家设计了一种可以循环利用人体呼出的CO2并提供O2的装置,总反应方程式为2CO22CO+O2,下列说法不正确的是 ( )
A.由图分析N电极为负极
B.OH-通过离子交换膜迁向右室
C.反应完毕,该装置中电解质溶液的碱性增强
D.阴极的电极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-
【解析】选C。电池内部,电子向负极迁移,结合图可知,N电极为负极,P电极为正极,A正确;右边的装置与太阳能电池相连,为电解池,左边Pt电极与电池负极相连,为阴极,右边Pt电极与电池正极相连,为阳极,电解池中,阴离子向阳极移动,故OH-通过离子交换膜迁向右室,B正确;总反应方程式为2CO22CO+O2,电解质溶液pH不变,碱性不变,C错误;CO2在阴极得电子生成CO,结合电解质、电荷守恒、原子守恒可写出阴极反应式为CO2+H2O+2e-CO+2OH-,D正确。
1.图解电解池工作原理(阳极为惰性电极):
2.明确电解池的电极反应及其放电顺序:
3.对比掌握电解规律(阳极为惰性电极):
电解类型
电解质实例
溶液复原物质
电解水
NaOH、H2SO4或Na2SO4
水
电解电解质
HCl或CuCl2
原电解质
放氢生碱型
NaCl
HCl气体
放氧生酸型
CuSO4或AgNO3
CuO或Ag2O
4.电解计算中常用的三种方法:
(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起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。
如以通过4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)
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.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】选B。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
CuSO4、AgNO3、
Cu(NO3)2
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
HCl
升高
电解H2O型
NaNO3、Na2SO4、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
2.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是 ( )
A.相同条件下,逸出气体的体积:A电极
C.A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
【解析】选D。S、OH-移向B电极,在B电极上OH-放电产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极上H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误;相同条件下,A电极产生的气体体积大于B电极,A项错误;两种气体均为无色无味的气体,B项错误;用惰性电极电解Na2SO4溶液的实质是电解水,电解后的溶液全部转移到同一烧杯中,充分搅拌后,溶质仍为Na2SO4,溶液呈中性,D项正确。
3.两个惰性电极插入500 mL AgNO3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.27 mg B.54 mg C.106 mg D.216 mg
【解析】选B。两极反应:阳极2H2O-4e-O2↑+4H+;阴极4Ag++4e-4Ag,电解的总反应式为4AgNO3+2H2O4Ag+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+)=(10-3 mol·L-1-10-6 mol·L-1)×0.5 L≈5×10-4 mol,
m(Ag)=5×10-4 mol×108 g·mol-1=0.054 g=54 mg。
4.(2021年辽宁适应性测试)在N-羟基邻苯二甲酰亚胺(NHPI)介质中,可实现醇向醛的转化,原理如图。下列说法错误的是 ( )
A.理论上NHPI的总量在反应前后不变
B.海绵Ni电极作阳极
C.总反应为+H2↑
D.每消耗1 mmol苯甲醇,产生22.4 mL氢气
【解析】选D。NHPI与PINO是循环的,所以理论上NHPI的总量在反应前后不变,A正确;海绵Ni电极上是Ni2+Ni3+失电子是阳极,B正确;从反应流程图分析总反应式甲醇电解生成甲醛和氢气的反应,C正确;没有说明标准状况,不能确定氢气的体积,D错误。
【加固训练—拔高】
1.某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,下列说法正确的是 ( )
A.电流方向:电极 Ⅳ→→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
【解析】选A。带盐桥的①、②装置构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。A项,电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,正确;B项,原电池负极在工作中发生氧化反应,错误;C项,原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子,生成Cu,该电极质量逐渐增大,错误;D项,电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应式为Cu-2e-Cu2+,错误。
2.电-Fenton法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,其反应原理如图所示(酸性介质)。其中电解产生的H2O2与Fe2+发生Fenton反应:Fe2++H2O2
Fe3++OH-+·OH,生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法不正确的是 ( )
A.电源的B极是正极
B.电解时阴极周围溶液的pH增大
C.阴极上发生的电极反应为O2+2e-+2H+H2O2
D.若产生4 mol羟基自由基(·OH),则消耗22.4 L O2
【解析】选D。O2在电解池的左侧得电子生成H2O2,所以A极为负极,B极为正极,A项正确;阴极上O2+2e-+2H+H2O2,电解质溶液的pH增大,B、C项正确;D项,没有指明温度和压强,不能确定氧气的体积,D项错误。
3.(2021·河南豫南九校模拟)如图所示,在一定电压下用惰性电极电解由等物质的量浓度的FeCl2、HCl组成的混合溶液。已知在此电压下,阴、阳离子根据放电顺序,都可能在阳极放电,下列分析正确的是 ( )
A.C1电极上的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑
B.C1电极处溶液首先变棕黄色
C.C2电极上可依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑
D.当C1电极上有2 g物质生成时,就会有2NA个电子通过溶液发生转移
【解析】选C。C1电极与电源的负极相连,作阴极,溶液中的H+在阴极放电,电极反应式为2H++2e-H2↑,A错误;C1电极上H+放电生成H2,C2电极与电源的正极相连,作阳极,Fe2+的还原性强于Cl-,则依次发生的电极反应为Fe2+-e-Fe3+、2Cl--2e-Cl2↑,故C2电极处溶液首先变棕黄色,B错误,C正确;电子只能通过导线传递,不能通过溶液传递,D错误。
考点二 电解原理的应用(命题指数★★★★★)
1.氯碱工业:
(1)电极反应
阳极:2Cl--2e-Cl2↑(氧化反应);
阴极:2H++2e-H2↑(还原反应)。
(2)总反应方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(3)生产流程图
2.电镀和电解精炼铜:
电镀(Fe表面镀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+
Zn-2e-Zn2+、
Fe-2e-Fe2+、
Ni-2e-Ni2+、
Cu-2e-Cu2+
阴极
电极材料
待镀金属铁
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↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:2Na++2e-2Na。
(2)冶炼镁
MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑
阳极反应式:2Cl--2e-Cl2↑;
阴极反应式:Mg2++2e-Mg。
(3)冶炼铝
2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑
阳极反应式:6O2--12e-3O2↑;
阴极反应式:4A+12e- 4Al。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(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。 ( )
提示:×。电解精炼铜时,当开始电解时杂质Zn、Fe、Ni等活泼金属失电子,电解质溶液中Cu2+得电子,造成溶液中c(Cu2+)减小。
(2)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可电解MgO和AlCl3。 ( )
提示:×。不采用电解MgO制金属镁,因为MgO熔点高、耗能大、不经济,不能用电解AlCl3制金属铝,因为熔融AlCl3不导电。
(3)若把Cu+H2SO4CuSO4+H2↑设计成电解池,应用Cu作阴极。 ( )
提示:×。Cu被氧化为Cu2+,应作阳极。
(4)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。( )
提示:×。电解饱和食盐水时,阴极可以用金属材料作电极。
(5)在镀件上电镀铜时,待镀件应连接电源的负极。 ( )
提示:√。电镀铜时,铜应连接电源的正极作阳极,待镀件连接电源的负极作阴极。
2.完成下列各小题:
(1)电解饱和食盐水过程中,阳离子交换膜的作用为 。
(2)电解过程中A中CuSO4溶液浓度 ,而B中CuSO4溶液浓度 。
提示:(1)只允许阳离子通过,阻碍Cl2与H2混合,防止Cl2和NaOH反应 (2)逐渐减小 基本不变
命题角度1:电解原理在工业中的基本应用
【典例1】氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下:
依据上图,完成下列填空:
(1)在电解过程中,与电源正极相连的电极上所发生反应的电极反应式为___
_______________________________,与电源负极相连的电极附近,溶液pH___
__________________ (选填“不变”“升高”或“下降”)。
(2)为有效除去工业食盐中含Ca2+、Mg2+、S杂质,加入试剂的合理顺序为__
___________ (多选)。
A.先加NaOH,后加Na2CO3,再加钡试剂
B.先加NaOH,后加钡试剂,再加Na2CO3
C.先加钡试剂,后加NaOH,再加Na2CO3
(3)若采用无隔膜法电解冷的食盐水,Cl2与NaOH充分接触,得到的产物为NaClO和H2,则与该反应相应的化学方程式为____________________________。
【解析】(1)电解饱和食盐水,与电源正极相连的电极为阳极,电极反应式是2Cl--2e-Cl2↑;与电源负极相连的电极为阴极,电极反应式是2H++2e-H2↑,消耗H+,产生OH-,所以溶液的pH升高。
(2)除去杂质时加入Ba2+和OH-,无先后之分,但Na2CO3一定要在最后加入,因为C还要除去多余的Ba2+,过滤沉淀后即认为NaCl被提纯,选B、C。
(3)将2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑和Cl2+2NaOHNaCl+NaClO+H2O合并,即可得出答案。
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑ 升高
(2)B、C (3)NaCl+H2ONaClO+H2↑
利用食盐水制取ClO2的工业流程如图所示,装置①中的反应:NaCl+3H2O
NaClO3+3H2↑,装置②中的反应:2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2NaCl+2H2O。下列关于该流程说法不正确的是 ( )
A.该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用
B.装置①中H2是阴极产物
C.装置②发生的反应中,Cl2是氧化产物,NaCl是还原产物
D.为了使H2完全转化为HCl,需要向装置③中补充Cl2
【解析】选C。电解食盐水得到氢气和NaClO3,氢气和氯气反应生成氯化氢得到浓盐酸,2NaClO3+4HCl2ClO2↑+Cl2↑+2H2O+2NaCl,该流程中Cl2、NaCl都可以循环利用,故A正确;装置①是电解食盐水,溶液中氢离子在阴极得到电子生成氢气,是阴极产物,故B正确;2NaClO3+4HCl2NaCl+2ClO2↑+Cl2↑+2H2O,氯气是氧化产物,ClO2是还原产物,故C错误。
【思维升华】
两题均考查了电解食盐水的知识,不同的是电解条件不同,对应的电解产物也不相同,体现了变化观念与平衡思想的学科素养。解答时要根据题目的相关信息,利用电解原理分析电解过程,正确判断电极产物及电极反应方程式。
命题角度2:电解原理的拓展应用
【典例2】(2021·重庆模拟)用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的P以FePO4(不溶于水)的形式除去,其装置如图所示。
下列说法中正确的是 ( )
A.若X、Y电极材料连接反了,则仍可将废水中的P除去
B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应
C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小
D.电解时废水中会发生反应:4Fe2++O2+4H++4P4FePO4↓+2H2O
【解析】选D。根据题意分析,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨,若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;Y电极材料为石墨,该电极发生还原反应,B项错误;电解过程中Y极上发生的反应为2H++2e-H2↑,氢离子浓度减小,溶液的pH变大,C项错误;铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与P反应生成FePO4,D项正确。
(1)(宏观辨识与微观探析)根据题目分析电解除磷时为什么用铁作阳极?
提示:阳极在直流电源作用下电解产生Fe2+,Fe2+可进一步被氧化生成Fe3+,提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。
(2)(证据推理与模型认知)用铁作电极,利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,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该作什么电极?
提示:阳极产生ClO-,发生的反应为Cl-+2OH--2e-ClO-+H2O,所以铁电极作阴极。
【备选例题】
利用电化学原理还原CO2制取ZnC2O4的装置如图所示
(电解液不参加反应),下列说法正确的是 ( )
A.可用H2SO4溶液作电解液
B.阳离子交换膜的主要作用是增强导电性
C.工作电路中每流过0.02 mol电子,Zn电极质量减重0.65 g
D.Pb电极的电极反应式是2CO2-2e-C2
【解析】选C。如果用H2SO4溶液作电解液,溶液中氢离子会在正极得电子生成氢气,影响2CO2+2e-C2反应的发生,A错误;用阳离子交换膜把阳极室和阴极室隔开,它具有选择透过性,它只允许阳离子透过,其他离子难以透过,B错误;Zn电极为负极,发生氧化反应,Zn-2e-Zn2+,当电路中每流过0.02 mol电子,消耗锌0.01 mol,质量为0.65 g,C正确;Pb电极为正极,发生还原反应,2CO2+2e-
C2,D错误。
电解原理应用的注意事项
(1)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混合发生爆炸,又能避免Cl2和NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱的质量。
(2)电解或电镀时,电极质量减少的电极必为阳极;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。
(3)电解精炼铜时,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,其他活泼性弱于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
(4)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,因此电镀液中电解质的浓度保持不变。
命题点1:电解原理的常规应用(基础性考点)
1.(2021年重庆适应性测试)双极膜在电渗析中应用广泛,它是由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成。双极膜内层为水层,工作时水层中的H2O解离成H+和OH-,并分别通过离子交换膜向两侧发生迁移。如图为NaBr溶液的电渗析装置示意图。
下列说法正确的是 ( )
A.出口2的产物为HBr溶液
B.出口5的产物为硫酸溶液
C.Br-可从盐室最终进入阳极液中
D.阴极电极反应式为2H++2e-H2↑
【解析】选D。钠离子通过阳极膜进入交换室1和双极膜产生的氢氧根形成氢氧化钠,所以出口2的产物是氢氧化钠溶液,A错误;溴离子通过阴离子交换膜进入交换室2和双极膜产生的氢离子形成溴化氢溶液,出口4产物为HBr溶液,钠离子不能通过双极膜,出口5不是硫酸,则Br-不会从盐室最终进入阳极液中,B、C错误;电解硫酸钠溶液阴极是氢离子得电子变为氢气,D正确。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制备高纯度的镍,下列叙述错误的是(已知:氧化性Fe2+
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等
C.电解后,电解槽底部的阳极泥中含有Cu和Pt
D.电解后,溶液中存在的金属阳离子有Fe2+、Zn2+和Ni2+
【解析】选A。电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属按还原性顺序Zn>Fe>Ni>Cu>Pt发生氧化反应,电极反应依次为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,A项错误;电解过程中,阳极Zn、Fe、Ni溶解,Cu、Pt沉积到电解槽底部,阴极只析出Ni,结合两极转移的电子数相等,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量不相等,B项正确;Cu和Pt还原性比Ni弱,不能失去电子,以沉淀的形式沉积在电解槽底部,形成阳极泥,C项正确;电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,D项正确。
命题点2:电解原理在物质制备方面的应用(应用性考点)
3.O3是一种常见的绿色氧化剂,可由臭氧发生器电解稀硫酸制得,原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.电极a为阴极
B.a极的电极反应式为O2+4H++4e-2H2O
C.电解一段时间后b极周围溶液的pH下降
D.标准状况下,当有5.6 L O2反应时,收集到O2和O3混合气体4.48 L,O3的体积分数为80%
【解析】选D。电极b上生成O2和O3,则电极b上发生失电子的氧化反应,则电极b为阳极,电极a为阴极,A项正确;电极a的电极反应式为O2+4e-+4H+ 2H2O,B项正确;电极b上H2O失去电子,发生氧化反应生成O2、O3和H+,故电解一段时间后b极周围溶液的pH下降,C项正确;标准状况下,当有5.6 L氧气参加反应时,转移电子1 mol,设收集到氧气为x mol,臭氧为y mol,则有x+y=0.2,4x+6y=1,解得x=y=0.1,故O3的体积分数为50%,D项错误。
4.常温下,NCl3是一种黄色黏稠状液体,是制备新型水消毒剂ClO2的原料,可以采用如图所示装置制备NCl3。下列说法正确的是 ( )
A.每生成1 mol NCl3,理论上有4 mol H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移
B.可用湿润的淀粉KI试纸检验气体M
C.石墨极的电极反应式为N+3Cl--6e-NCl3+4H+
D.电解过程中,质子交换膜右侧溶液的pH会减小
【解析】选C。A项,每生成1 mol NCl3,转移6 mol e-,理论上有6 mol H+经质子交换膜从右侧向左侧迁移,A错误;B项,M为H2,不能用湿润的淀粉KI试纸检验,B错误;D项,右侧pH会增大,D错误。
命题点3:电解原理在环境治理方面的应用(应用性考点)
5.化学在环境保护中起着十分重要的作用,电化学降解N的原理如图所示。下列说法不正确的是 ( )
A.A为电源的正极
B.溶液中H+从阳极向阴极迁移
C.Ag-Pt电极的电极反应式为2N+12H++10e-N2↑+6H2O
D.电解过程中,每转移2 mol电子,则左侧电极就产生32 g O2
【解析】选D。根据题给电解装置图可知,Ag-Pt电极上N转化为N2,发生还原反应:2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,则Ag-Pt电极作阴极,B为电源的负极,故A为电源的正极,A、C项正确;在电解池中阳离子向阴极移动,所以溶液中H+从阳极向阴极迁移,B项正确;左侧电极为阳极,电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,则每转移2 mol电子,左侧电极产生16 g O2,D项错误。
【加固训练—拔高】
1.采用电化学法还原CO2是一种使CO2资源化的方法。如图是利用此法制备ZnC2O4的示意图(电解液不参与反应)。下列说法中正确的是 ( )
A.Zn与电源的负极相连
B.ZnC2O4在交换膜右侧生成
C.电解的总反应为2CO2+ZnZnC2O4
D.通入11.2 L CO2时,转移0.5 mol电子
【解析】选C。电解过程中Zn被氧化,作阳极,所以Zn与电源的正极相连,A错误;Zn2+透过阳离子交换膜到达左侧与生成的C2形成ZnC2O4,B错误;没有给出气体所处的温度和压强,D错误。
2.SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是 ( )
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生还原反应
B.阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol
C.吸收池中发生反应的离子方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS
D.阳极发生的反应式为SO2+2e-+2H2OS+4H+
【解析】选D。A项,阴极发生还原反应,亚硫酸氢根离子得电子生成S2,a是直流电源的负极,正确;B项,阴极发生还原反应,电极反应式为2HS+2e-+2H+S2+2H2O,阴极得到2 mol电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mol,正确;C项,S2与一氧化氮发生氧化还原反应,生成氮气,离子反应方程式为2NO+2S2+2H2ON2+4HS,正确;D项,阳极发生失去电子的氧化反应,错误。
3.如图为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,为实现铁上镀锌,接通后,使c、d两点短路。下列叙述正确的是 ( )
A.a为直流电源的负极
B.c极发生的反应为2H++2e-H2↑
C.f电极为锌板
D.e极发生还原反应
【解析】选B。为直流电源,为浸透饱和氯化钠溶液和酚酞试液的滤纸,为电镀槽,接通电路后发现上的c点显红色,则c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,d电极上氯离子放电生成氯气,则a是直流电源正极,b是直流电源负极;为实现铁上镀锌,接通K后,使c、d两点短路,e是电解池阳极,f是阴极,电镀时,镀层作阳极,待镀件作阴极。A项,a是直流电源正极,错误;B项,接通前,c极为电解池阴极,d为阳极,c电极上氢离子放电生成氢气,则c极发生的反应为2H++2e-H2↑,正确;C项,为实现铁上镀锌,锌作阳极,铁作阴极,所以e电极为锌板,错误;D项,e电极是阳极,阳极上失电子发生氧化反应,错误。
4.(2021·齐齐哈尔模拟)电解合成1,2-二氯乙烷的实验装置如图所示。下列说法中正确的是 ( )
A.该装置工作时,化学能转变为电能
B.CuCl2能将C2H4还原为1, 2-二氯乙烷
C.X、Y依次为阳离子交换膜、阴离子交换膜
D.该装置总反应为CH2CH2+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl
【解析】选D。该装置为电解池,则工作时,电能转变为化学能,A项错误;C2H4中C元素化合价为-2价,ClCH2CH2Cl中C元素化合价为-1价,则CuCl2能将C2H4氧化为1,2-二氯乙烷,故B项错误;该电解池中,阳极发生的电极反应式为CuCl-e-+Cl-
CuCl2,阳极区需要氯离子参与,则X为阴离子交换膜,而阴极区发生的电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,有阴离子生成,为保持电中性,需要电解质溶液中的钠离子,则Y为阳离子交换膜,故C项错误;装置中阳极首先发生反应:CuCl-e-
+Cl-CuCl2,生成的CuCl2再继续与C2H4反应生成1,2-二氯乙烷和CuCl,在阳极区循环利用,而阴极水中的氢离子放电生成氢气,其总反应方程式为CH2CH2
+2H2O+2NaClH2+2NaOH+ClCH2CH2Cl,故D项正确。
5.[Fe(CN)6]3-可将气态废弃物中的硫化氢氧化为可利用的硫,自身被还原为[Fe(CN)6]4-。工业上常采用如图所示的电解装置,通电电解,然后通入H2S加以处理。下列说法不正确的是 ( )
A.电解时,阳极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-
B.电解时,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C
C.当电解过程中有标准状况下22.4 L H2生成时,溶液中有32 g S析出(溶解忽略不计)
D.整个过程中需要不断补充K4[Fe(CN)6]与KHCO3
【解析】选D。电解时,阳极上[Fe(CN)6]4-失去电子,阳极的电极反应式为[Fe(CN)6]4--e-[Fe(CN)6]3-,A正确;阴极上HC放电,发生还原反应,阴极反应式为2HC+2e-H2↑+2C,B正确;标准状况下22.4 L H2的物质的量为1 mol,则转移2 mol电子。H2S失去2 mol电子,生成1 mol单质S,即析出32 g S,C正确;根据以上分析可知,反应的结果相当于是H2S被电解生成H2和S,所以不需要补充K4[Fe(CN)6]和KHCO3,D错误。
考点三 电极反应式的书写与判断(命题指数★★★★★)
1.原电池电极反应式的书写:
书写电极反应式时,首先要根据原电池的工作原理准确判断正、负极,然后结合电解质溶液的环境确定电极产物,最后再根据质量守恒和电荷守恒写出反应式。电极反应式书写的一般方法有
(1)拆分法。
①写出原电池的总反应,如2Fe3++Cu2Fe2++Cu2+。
②把总反应按氧化反应和还原反应拆分为两个电极反应,注明正、负极,并依据质量守恒、电荷守恒及电子得失守恒配平两个电极反应:
正极:2Fe3++2e-2Fe2+
负极:Cu-2e-Cu2+
(2)加减法。
①写出总反应,如Li+LiMn2O4Li2Mn2O4。
②写出其中容易写出的一个电极反应(正极或负极),如Li-e-Li+(负极)。
③利用总反应式与上述的一极反应式相减,即得另一个电极的反应式,即LiMn2O4+Li++e-Li2Mn2O4(正极)。
2.燃料电池电极反应式的书写:
第一步:写出燃料电池反应的总反应式
燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致,若产物能和电解质反应则总反应为加和后的反应。
如甲烷燃料电池(电解质为NaOH溶液)的反应式为
CH4+2O2CO2+2H2O①
CO2+2NaOHNa2CO3+H2O②
①式+②式得燃料电池总反应式为
CH4+2O2+2NaOHNa2CO3+3H2O。
第二步:写出电池的正极反应式
根据燃料电池的特点,一般在正极上发生还原反应的物质是O2,随着电解质溶液的不同,其电极反应式有所不同,大致有以下四种情况:
①酸性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+4H++4e-2H2O;
②碱性电解质溶液环境下电极反应式:
O2+2H2O+4e-4OH-;
③固体电解质(高温下能传导O2-)环境下电极反应式:
O2+4e-2O2-;
④熔融碳酸盐(如熔融K2CO3)环境下电极反应式:
O2+2CO2+4e-2C。
第三步:根据电池总反应式和正极反应式,写出负极反应式,电池反应的总反应式-电池正极反应式=电池负极反应式。因为O2不是负极反应物,因此两个反应式相减时要彻底消除O2。
3.电解池电极反应式的书写:
(1)步骤
(2)注意事项
①书写电解池的电极反应式时,可以用实际放电的离子表示,但书写电解池的总反应时,H2O要写成分子式。如用惰性电极电解食盐水时,阴极反应式为2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-),总反应式为2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。
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。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)用石墨作电极电解CuSO4溶液的方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。 ( )
提示:√。溶液中Cu2+和OH-生成Cu和O2。
(2)在Mg-NaOH(aq)-Al电池中负极反应为Al-3e-+4OH-Al+2H2O。 ( )
提示:√。碱性条件下,Al与NaOH溶液发生反应,作负极。
(3)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↑。 ( )
提示:×。活性金属作阳极时,金属首先失电子被氧化,故阳极反应为Cu-2e-Cu2+。
(4)甲烷燃料电池在碱性环境下负极的反应式为CH4-8e-+2H2OCO2+8H+。 ( )
提示:×。碱性电解质溶液环境下电极反应式为CH4+10OH--8e-C+7H2O。
(5)以Fe为阳极,电解处理含Cr2的废水,铬最终以Cr(OH)3沉淀除去,则阳极反应为Fe-3e-Fe3+。 ( )
提示:×。阳极反应为Fe-2e-Fe2+,Cr2与Fe2+发生氧化还原反应生成Cr3+和Fe3+,Cr3+和Fe3+与阴极区放电生成的OH-反应生成氢氧化物沉淀。
2.按要求书写电极反应式
(1)用惰性电极电解NaCl溶液:
①阳极:____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(2)用惰性电极电解CuSO4溶液:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(3)用惰性电极电解熔融MgCl2:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(4)铁作阳极,石墨作阴极电解NaOH溶液:
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
提示:(1)①2Cl--2e-Cl2↑
②2H++2e-H2↑
(2)①4OH--4e-2H2O+O2↑(或2H2O-4e-O2↑+4H+)
②2Cu2++4e-2Cu
(3)①2Cl--2e-Cl2↑
②Mg2++2e-Mg
(4)①Fe-2e-+2OH-Fe(OH)2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
命题角度1:原电池电极反应式的书写与判断
【典例1】2019 年 5 月,香港理工大学宣布研发出超柔软高效能织物[柔性S/ HPCNF (分级多孔碳纳米纤维)]锂空气二次电池,在 S/ HPCNF 织物上均匀地沉积铜和镍,取代一般锂电池表面的金属箔, 以提高柔软度,电池的工作原理如图:
按要求书写电极反应式:
①放电时,Li发生的电极反应为 _____________________________________。
②充电时,阳极的电极反应为 _______________________________________。
【解析】①由图示可知放电时,Li失去电子生成Li+,电极反应为Li-e-Li+。
②充电时,阳极发生氧化反应,电极反应为放电反应的逆过程,即Li2O2-2e-O2↑+2Li+。
答案:①Li-e-Li+
②Li2O2-2e-O2↑+2Li+
在题干条件不变的情况下,下列有关说法错误的是 ( )
A.放电时,O2发生还原反应
B.沉积铜和镍是为了增强织物的导电性
C.充电时,Li+移向金属锂一极
D.电池工作时,电子的流向为金属锂电极→有机电解质溶液→柔性S/HPCNF电极
【解析】选D。放电时,氧原子得电子,化合价降低,发生还原反应,故A正确;铜和镍是金属,属于导体,沉积铜和镍是为了增强织物的导电性,故B正确;充电时,阳离子移向阴极,Li+移向金属锂一极,故C正确;电子不能在有机电解质溶液中移动,故D错误。
【备选例题】
硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。由硫化氢获得硫单质有多种方法。将用烧碱吸收H2S后所得的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-S (n-1)S+S2-
①写出电解时阴极的电极反应式: ____________________________________。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成
____________________________________________。
【解析】①电解时,阴极区溶液中的阳离子放电,即水溶液中的H+放电生成H2。②由题给反应可知,阳极区生成了,可以理解为(n-1)S+S2-,加入稀硫酸生成S单质和H2S气体。
答案:①2H2O+2e-H2↑+2OH-
②+2H+(n-1)S↓+H2S↑
命题角度2:电解池电极反应式的书写
【典例2】(2021年广东适应性测试)环氧乙烷(C2H4O)常用于医用消毒,一种制备方法为:使用惰性电极电解KCl溶液,用Cl-交换膜将电解液分为阴极区和阳极区,其中一区持续通入乙烯;电解结束,移出交换膜,两区混合反应:HOCH2CH2Cl+OH-Cl-+H2O+C2H4O。下列说法错误的是 ( )
A.乙烯应通入阴极区
B.移出交换膜前存在反应Cl2+H2OHCl+HClO
C.使用Cl-交换膜阻止OH-通过,可使Cl2生成区的pH逐渐减小
D.制备过程的总反应为:H2CCH2+H2OH2↑+C2H4O
【解析】选A。根据题意,电解时两区分别生成HOCH2CH2Cl、OH-,可推知,阴极区反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑,C2H4则在阳极区反应,生成HOCH2CH2Cl,A错误;阳极区涉及反应包括:2Cl--2e-Cl2↑,Cl2+H2OHCl+HClO,HClO+C2H4HOCH2CH2Cl,B正确;由于Cl-交换膜的存在,Cl2与OH-不相互接触,阳极区总反应为2Cl--2e-+H2O+C2H4HOCH2CH2Cl+HCl,因此pH下降,C正确;由阳极区总反应、阴极反应以及两极混合反应,三个反应相加,可得总反应为C2H4+H2OH2↑+C2H4O。
1.可充电电池电极反应式的书写技巧:
书写可充电电池电极反应式时,一般都是先书写放电时的电极反应式。书写放电时的电极反应式时,一般要有三个步骤:
第一,先标出原电池总反应式电子转移的方向和数目,找出参与负极和正极反应的物质;
第二,写出一个比较简单的电极反应式(书写时一定要注意电极产物是否与电解质溶液反应);
第三,在电子守恒的基础上,利用总反应式减去写出的电极反应式即可得到另一电极反应式。
2.“信息型”电解池电极反应式的书写技巧:
①仔细分析“文字”信息或“图片”信息,找出阴、阳极及电解质溶液。
②可利用阴、阳离子在阳极、阴极的放电顺序或题目信息确定电极产物,利用电荷守恒思想配平。
命题点1:基本电极反应式的书写(基础性考点)
1.以甲醇为燃料,写出下列介质中的电极反应式
(1)酸性溶液
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(2)碱性溶液
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(3)固体氧化物(其中O2-可以在固体介质中自由移动)
正极: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
(4)熔融碳酸盐(C)
正极通入CO2: ____________________________________________;
负极: ____________________________________________。
答案:(1)正极:O2+6e-+6H+3H2O
负极:CH3OH-6e-+H2OCO2+6H+
(2)正极:O2+6e-+3H2O6OH-
负极:CH3OH-6e-+8OH-C+6H2O
(3)正极:O2+6e-3O2-
负极:CH3OH-6e-+3O2-CO2+2H2O
(4)正极:O2+6e-+3CO23C
负极:CH3OH-6e-+3C4CO2+2H2O
2.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)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: ____________________________________________。
(2)以铝材为阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式: ____________________________________________;
阴极反应式: ____________________________________________;
总反应离子方程式: ____________________________________________。
答案:(1)2Cl--2e-Cl2↑
Mg2++2H2O+2e-H2↑+Mg(OH)2↓
Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+3H2OAl2O3+6H+
6H++6e-3H2↑
2Al+3H2OAl2O3+3H2↑
命题点2:“信息型”电极反应式的书写与判断(应用性考点)
3.(1)一种以肼(N2H4)为液体燃料的电池装置如图所示。该电池用空气中的氧气作氧化剂,KOH作电解质。
负极反应式为____________________________________________;
正极反应式为____________________________________________。
(2)Mg-AgCl电池是一种能被海水激活的一次性贮备电池,电池反应方程式为2AgCl+MgMg2++2Ag+2Cl-。
①负极反应式为____________________________________________;
②正极反应式为____________________________________________。
【解析】根据装置可知N2H4→N2为氧化反应,在负极上发生反应。
答案:(1)N2H4-4e-+4OH-N2↑+4H2O
O2+4e-+2H2O4OH-
(2)①Mg-2e-Mg2+
②2AgCl+2e-2Ag+2Cl-
【加固训练—拔高】
1.我国科学家发明了一种“可固氮”的镁-氮二次电池,其装置如图所示,下列说法不正确的是 ( )
A.固氮时,电池的总反应为3Mg+N2Mg3N2
B.脱氮时,钌复合电极的电极反应式为Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑
C.固氮时,外电路中电子由钌复合电极流向镁电极
D.当无水LiCl-MgCl2混合物受热熔融后电池才能工作
【解析】选C。固氮时该装置为原电池装置,镁为活泼金属,作负极,被氧化成Mg2+,钌复合电极为正极,氮气在电极上发生还原反应生成N3-,与熔融电解质中镁离子生成Mg3N2,所以总反应为3Mg+N2Mg3N2,故A正确;脱氮时,-3价的氮要被氧化,
钌复合电极应发生氧化反应,Mg3N2失电子发生氧化反应生成氮气,电极反应:Mg3N2-6e-3Mg2++N2↑,故B正确;固氮时,镁电极为负极,外电路中电子由负极镁电极流向钌复合电极,故C错误;无水LiCl-MgCl2混合物常温下为固体,无自由移动离子,不能导电,受热熔融后产生自由移动离子导电,电池才能工作,故D正确。
2.(2021年全国高考冲刺压轴卷)我国科学家设计二氧化碳熔盐捕获及电化学转化装置,其示意图如下:
下列说法正确的是 ( )
A.b为电源的负极,d为电解池的阳极
B.过程①②中捕获CO2时碳的化合价发生了变化
C.a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑
D.上述装置中总反应的化学方程式为C+O2CO2
【解析】选C。a电极为C2失去电子,发生氧化反应生成氧气,d电极为碳酸根离子得到电子,发生还原反应生成碳,总反应为CO2C+O2。a电极发生氧化反应,是电解池的阳极,连接的为正极,即b为正极,A错误; 过程①捕获CO2时生成的C2的碳元素的化合价是+4价,②捕获CO2时生成的C的碳元素的化合价是+4价,碳的化合价均未发生变化,B错误;由电解装置可知, a极的电极反应式为2C2-4e-4CO2↑+O2↑,C正确; 由电解装置可知,a电极生成氧气,d电极生成碳单质,电解总反应为CO2C+O2,D错误。
3.按要求书写电极反应式
(1)电解装置如图,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-I+5I-+3H2O
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
(2)可用氨水作为吸收液吸收工业废气中的SO2,当吸收液失去吸收能力时,可通过电解法使吸收液再生而循环利用(电极均为石墨电极),并生成化工原料硫酸。其工作示意图如下。
①阳极: ____________________________________________。
②阴极: ____________________________________________。
答案:(1)①2I--2e-I2
②2H2O+2e-H2↑+2OH-
(2)①HS-2e-+H2O3H++S
②2H++2e-H2↑(或2H2O+2e-H2↑+2OH-)
考点四 金属的腐蚀与防护(命题指数★★★★)
1.化学腐蚀与电化学腐蚀的比较:
类型
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属跟干燥气体或非电解质液体接触
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的比较:
以钢铁的腐蚀为例进行分析:
类型
析氢腐蚀
吸氧腐蚀
条件
水膜酸性较强
水膜酸性很弱或呈中性
电极
反应
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
联系
吸氧腐蚀更普遍
铁锈的形成:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,2Fe(OH)3Fe2O3·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。
1.判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)纯银器在空气中因电化学腐蚀表面渐渐变暗。( )
提示:×。Ag与O2直接接触发生化学反应而使表面渐渐变暗。
(2)金属的化学腐蚀比电化学腐蚀更普遍。 ( )
提示:×。金属的电化学腐蚀更普遍。
(3)生铁浸泡在食盐水中发生析氢腐蚀。 ( )
提示:×。食盐水为中性溶液,生铁发生吸氧腐蚀。
(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。 ( )
提示:×。由于铁比锡活泼,锡层破损后,形成原电池,铁作负极,腐蚀加快。
(5)牺牲阳极的阴极保护法是利用电解原理防腐蚀。( )
提示:×。牺牲阳极的阴极保护法是利用原电池原理防腐。
(6)将水库中的水闸(钢板)与外加直流电源的负极相连,可防止水闸被腐蚀。 ( )
提示:√。外加电流的阴极保护法是把被保护的器件作阴极,与外加电源负极相连。
2.如图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。
(1)该电化学腐蚀是哪种类型的腐蚀?
(2)图中A、B、C、D四个区域,生成铁锈最多的是哪个区域?
提示:(1)吸氧腐蚀 (2)B
命题角度1:金属的腐蚀
【典例1】深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示,下列与此原理有关说法错误的是 ( )
A.正极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-
B.输送暖气的管道不易发生此类腐蚀
C.这种情况下,Fe腐蚀的最终产物为Fe2O3·xH2O
D.管道上刷富锌油漆可以延缓管道的腐蚀
【以图析题·培养关键能力】
【解析】选C。原电池的正极发生还原反应,由题图可知,发生的电极反应为S+5H2O+8e-HS-+9OH-,故A正确;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化作用,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B正确;由题图可知,Fe腐蚀的最终产物为Fe2+,故C错误;管道上刷富锌油漆,形成Zn-Fe原电池,Fe为正极被保护,可以延缓管道的腐蚀,故D正确。
【备选例题】
(2021·金华模拟)如图所示装置,均盛有等体积等浓度的稀硫酸,工作相同的时间后测得均通过n mol e-。下列叙述错误的是(不考虑溶液体积的变化) ( )
A.铁棒的腐蚀程度:甲<乙
B.石墨电极上发生反应的电极反应式相同
C.溶液的pH:甲减小,乙增大
D.甲、乙产生气体的体积(相同条件)比为3∶2
【解析】选B。A.甲中Fe作阴极,被保护,乙中铁作负极被腐蚀,所以铁棒的腐蚀程度:甲<乙,故A正确;B.甲中石墨电极上氢氧根离子放电生成氧气,乙中石墨电极上氢离子放电生成氢气,所以二者电极反应式不同,故B错误;C.甲中电池反应式为2H2O2H2↑+O2↑,乙中电池反应式为Fe+2H+H2↑+Fe2+,甲中硫酸浓度增大、乙中硫酸浓度减小,所以溶液的pH:甲减小,乙增大,故C正确;D.假设都转移4 mol电子,甲中生成气体的物质的量为3 mol、乙中生成气体的物质的量为2 mol,所以相同条件下气体的体积之比为3∶2,故D正确。
命题角度2:金属的防护
【典例2】(2020·江苏高考)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是 ( )
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.金属M的活动性比Fe的活动性弱
C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护
D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
【解析】选C。A项,该装置为原电池,阴极处为正极,参与电极反应的可能是O2或是溶液中的H+,错误;B项,M比Fe活泼,M将电子转移至Fe处,错误;C项,Fe表面有M传过来的电子,则O2或H+得到的电子不是Fe失去的电子,故Fe被保护,正确;D项,海水中存在电解质溶液,所以更容易发生电化学腐蚀,错误。
人教版选修4教材P86:牺牲阳极法示意图如图:
教材描述牺牲阳极法通常是在被保护的钢铁设备上安装若干镁合金或锌块,镁、锌比铁活泼,它们就成为原电池的负极,不断遭受腐蚀,而作为正极的钢铁设备就被保护起来。
(1)为了减小某水库的铁闸门被腐蚀的速率,连接在铁闸门上的固体材料可以采用 (填写字母序号)。
A.铜 B.钠 C.锌 D.石墨
(2)如图所示的方案也可以减小铁闸门的腐蚀速率,其中铁闸门应该连接在直流电源的 极。
(3)在海洋工程上,通常用铝合金(Al-Zn-Cd)保护海底钢铁设施,其中负极发生的电极反应为 ____________________________________________;
在实际应用中,用铝合金而不选用纯铝,纯铝不能很好地起到保护作用,其原因是 ____________________________________________。
【解析】Fe发生吸氧腐蚀,常见保护方法有牺牲阳极的阴极保护法和外加电流的阴极保护法。
答案:(1)C (2)负 (3)Al-3e-Al3+ 铝表面易被氧化,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,使金属铝呈现“惰性”
判断金属腐蚀快慢的方法
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢:电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
(2)对同一金属来说,腐蚀的快慢:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。(浓度相同)
(3)活泼性不同的两种金属,活泼性差异越大,腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
命题点1:金属腐蚀与防护(基础性考点)
1.泰山站是中国在南极建设的第四个科学考察站。为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M)。下列说法正确的是 ( )
A.金属块M可能是铜,发生氧化反应
B.这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法
C.科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生化学腐蚀
D.若采用外加电流的阴极保护法,设备与电源正极相连
【解析】选B。如果金属块M是铜,铜与钢铁设备构成原电池时,铁为负极,腐蚀速率加快,故A错误;为了延长科学考察站基础设施使用寿命,钢铁设备表面镶嵌一些金属块(M),M应该充当原电池的负极,这种保护方法叫牺牲阳极的阴极保护法,故B正确;科学考察站里的设备在潮湿空气中主要发生电化学腐蚀,故C错误;若采用外加电流的阴极保护法,钢铁设备应该与电源负极相连,充当电解池的阴极,被保护,故D错误。
2.高压直流电线路的瓷绝缘子经日晒雨淋容易出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽腐蚀,防护原理如图所示。下列说法错误的是 ( )
A.通电时,锌环是阳极,发生氧化反应
B.通电时,阴极上的电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-
C.断电时,锌环上的电极反应为Zn2++2e-Zn
D.断电时,仍能防止铁帽被腐蚀
【解析】选C。通电时,锌环与电源正极相连,作阳极,发生氧化反应,A项正确;通电时,铁帽为阴极,发生还原反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项正确;断电时,形成原电池,锌环为负极,发生氧化反应:Zn-2e-Zn2+,C项错误;断电时,形成原电池,铁帽为正极,此为牺牲阳极的阴极保护法,仍能防止铁帽被腐蚀,D项正确。
命题点2:金属的腐蚀试验探究(综合性考点)
3.某化学小组通过手持技术探究铁钉在4种溶液中的吸氧腐蚀实验,相关数据如表所示。
实验装置
实验
编号
浸泡液
pH
氧气体积分数随时间的变化
①
1.0 mol·L-1NH4Cl
5
②
0.5 mol·L-1(NH4)2SO4
5
③
1.0 mol·L-1NaCl
7
④
0.5 mol·L-1Na2SO4
7
已知铁在负极被氧化的过程由3个步骤构成:①Fe+H2O-e-Fe(OH)ads(吸附物)+H+;②Fe(OH)ads(吸附物)-e-FeOH+;③FeOH++H+Fe2++H2O。下列说法错误的是 ( )
A.铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+
B.上述实验的正极反应式均为O2+4e-+4H+2H2O
C.300 min内,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液>中性溶液
D.曲线先陡后平可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物生成,阻碍反应继续进行
【解析】选B。由题给信息知,铁钉吸氧腐蚀的负极反应式为Fe-2e-Fe2+,故A正确;吸氧腐蚀是在中性或弱酸性环境中发生的,故正极反应式均为O2+4e-+2H2O4OH-,故B错误;①②溶液显酸性,③④溶液显中性,根据图象可知,铁钉的平均吸氧腐蚀速率:酸性溶液大于中性溶液,故C正确;氧气体积分数下降曲线先陡后平,一方面是由于氧气体积分数降低后使腐蚀速率变慢,另一方面也可能是由于溶液碱性增强促进氢氧化物的生成,氢氧化物覆盖在铁钉表面阻碍反应继续进行,故D正确。
1.(2020·全国Ⅱ卷)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。如图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色,对于该变化过程,下列叙述错误的是 ( )
A.Ag为阳极
B.Ag+由银电极向变色层迁移
C.W元素的化合价升高
D.总反应为:WO3+xAgAgxWO3
【解析】选C。由外加电源可知该装置为电解装置。由“通电时,Ag+注入无色WO3薄膜中,生成AgxWO3”可知,Ag为阳极,Ag+由银电极向变色层(阴极)迁移,A、B正确;WO3生成AgxWO3,W的化合价降低x价,C错误;阳极电极反应式为xAg-xe-
xAg+,阴极电极反应式为WO3+xe-+xAg+AgxWO3,两极电极反应式相加得总反应式为WO3+xAgAgxWO3。
2.(2020·浙江7月选考)电解高浓度RCOONa(羧酸钠)的NaOH溶液,在阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)。下列说法不正确的是 ( )
A.电解总反应方程式:2RCOONa+2H2OR—R+2CO2↑+H2↑+2NaOH
B.RCOO-在阳极放电,发生氧化反应
C.阴极的电极反应:2H2O+2e-2OH-+H2↑
D.电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷
【解析】选A。因为阳极RCOO-放电可得到R—R(烷烃)和生成CO2,在强碱性环境中,CO2会与OH-反应生成C和H2O,故阳极的电极反应式为2RCOO--2e-+4OH-
R—R+2C+2H2O,阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应式为2H2O+2e-2OH-+H2↑,因而电解总反应方程式为2RCOONa+2NaOH
R—R+2Na2CO3+H2↑,A说法不正确;RCOO-在阳极放电,电极反应式为2RCOO-
-2e-+4OH-R—R+2C+2H2O,—COO-中碳元素的化合价由+3价升高为+4价,发生氧化反应,烃基—R中元素的化合价没有发生变化,B说法正确;阴极上H2O电离产生的H+放电生成H2,同时生成OH-,阴极的电极反应为2H2O+2e-2OH-+H2↑,C说法正确;根据题中信息,由上述电解总反应方程式可以确定下列反应能够发生:2CH3COONa+2NaOHCH3—CH3+2Na2CO3+H2↑,2CH3CH2COONa+2NaOHCH3CH2—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑,CH3COONa+CH3CH2COONa+2NaOHCH3—CH2CH3+2Na2CO3+H2↑。因此,电解CH3COONa、CH3CH2COONa和NaOH混合溶液可得到乙烷、丙烷和丁烷,D说法正确。
3.(2019·全国Ⅲ卷)在传统的电解氯化氢回收氯气技术的基础上,科学家最近采用碳基电极材料设计了一种新的工艺方案,主要包括电化学过程和化学过程,如下图所示:
负极区发生的反应有_________________________________(写反应方程式)。
电路中转移1 mol电子,需消耗氧气 L(标准状况)。
【解析】根据示意图中H+的流动方向可以判断电源的正负极情况,左侧为负极,右侧为正极。根据示意图中负极区物质的转化可以写出相应的方程式:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O。在反应中,1 mol O2得到4 mol电子,所以转移1 mol电子时消耗氧气0.25 mol,在标准状况下的体积为5.6 L。
答案:Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 5.6
【加固训练—拔高】
1.(2018·北京高考)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的 3% NaCl 溶液)。
①
②
③
在Fe表面生
成蓝色沉淀
试管内无
明显变化
试管内生成
蓝色沉淀
下列说法不正确的是 ( )
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
【解析】选D。根据实验②的现象可知,在酸化的3%NaCl溶液中Fe电极未溶解,根据实验③的现象可知,Fe在酸化的3%NaCl溶液生成了Fe2+,两者对照,可以判定Zn保护了Fe,A正确;根据实验②取出Fe附近的溶液,滴加K3[Fe(CN)6]溶液,无明显变化,可知Fe电极附近未生成Fe2+,而实验①中Fe表面变蓝,说明K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化,B、C正确;将Zn换成Cu,用①的方法K3[Fe(CN)6]可将Fe氧化,Fe表面也会生成蓝色沉淀,不能根据电化学原理判断Fe比Cu活泼。
2.(1)(2019·全国Ⅱ卷)环戊二烯()可用于制备二茂铁(Fe(C5H5)2,结构简式为),后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如下图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为__________________________________________, 总反应为__________________________________________________。电解制备需要在无水条件下进行,原因为____________________________。
(2)(2019·北京高考)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如下。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时,连接 。产生H2的电极反应式是________________。
②改变开关连接方式,可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用:_________。
【解析】(1)由原理图可知,Fe电极的铁生成Fe2+,发生氧化反应,Fe电极为电解池的阳极;由图可知有H2生成,电解池的总反应为Fe+2+H2↑。中间物Na能与水反应,且水会电解生成OH-,与Fe2+反应生成Fe(OH)2,故电解制备需要在无水条件下进行。
(2)①电极生成H2时,根据电极放电规律可知H+得到电子变为氢气,因而电极须连接负极,因而制取H2时,连接K1,该电池在碱性溶液中,由H2O提供H+,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用。
答案:(1)Fe电极 Fe+2+H2↑(Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑)
水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
(2)①K1 2H2O+2e-H2↑+2OH-
③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用
1.电解池组成“3条件”:
(1)外接电源;(2)电解质溶液;(3)闭合回路。
2.离子放电“2顺序”(惰性电极):
(1)阳极:S2->I->Br->Cl->OH-。
(2)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(H2O)>Al3+。
3.电解池阴、阳极“4特点”:
(1)阳极:外接直流电源正极——流出电子——发生氧化反应——阴离子移向。
(2)阴极:外接直流电源负极——流入电子——发生还原反应——阳离子移向。
4.电解原理应用的“4方面”:
(1)电解饱和食盐水的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(2)电镀时,待镀的金属制品作阴极,镀层金属作阳极,用含镀层金属离子的溶液作电镀液。
(3)电解精炼铜时,用纯铜作阴极,粗铜作阳极,用CuSO4溶液作电解液。
(4)电解熔融Al2O3制取铝,电解熔融氯化钠制取钠,电解熔融MgCl2制取镁。
5.金属的2种腐蚀与3种保护:
(1)两种腐蚀:析氢腐蚀、吸氧腐蚀(关键在于电解液的pH)。
(2)三种保护:电镀保护、牺牲阳极的阴极保护法、外加电流的阴极保护法。
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