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课件 高考化学一轮复习第七单元 化学反应与能量 第二十八讲 电解池 金属的腐蚀与防护
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这是一份课件 高考化学一轮复习第七单元 化学反应与能量 第二十八讲 电解池 金属的腐蚀与防护，共60页。PPT课件主要包含了夯实必备知识，电解和电解池，氧化还原，化学能，电解质溶液，熔融电解质，闭合回路，1电极，电解池工作原理，电解规律等内容，欢迎下载使用。
第28讲 电解池 金属的腐蚀与防护
考点一 电解原理及规律考点二 电解原理在工业生产中的应用考点三 金属的腐蚀与防护经典真题·明考向作业手册
夯实必备知识 | 提升关键能力
考点一 电解原理及规律
(1)电解使 通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起 反应的过程。 (2)电解池将 转化为 的装置。
2. 电解池的构成条件
(2)电子和离子的移动方向
(3)电解CuCl2溶液(惰性电极)电解总反应的化学方程式: 。 [微点拨1] 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。
Cu2++2e- = Cu
2Cl--2e- = Cl2↑
(1)阳极产物的判断①活性电极(除Au、Pt外的金属)作阳极,则活性电极 电子,发生 反应。 ②惰性电极(Pt、石墨等)作阳极,要依据阴离子的放电顺序判断。阴离子的放电顺序如下:
[微点拨3] ①阳离子的放电顺序遵循氧化还原反应的“先后规律”,前提条件是各种离子的浓度相差不大。②金属阳离子(除Fe3+)放电,则得到相应的金属,H+放电则得到H2;Fe3+放电一般转化为Fe2+。
5. 以惰性电极电解电解质溶液的四种类型
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)原电池的正极和电解池的阳极均发生氧化反应( )(2)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程( )(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( )
[解析] (3)Cl2在阳极生成。
(4)电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大( )(5)用Cu作电极电解盐酸可发生Cu+2H+ Cu2++H2↑( )(6)电解池工作时电子从电源的负极流出,流入阴极通过溶液到阳极,然后从阳极流出,流回电源正极( )
[解析] (4)电解盐酸,pH变大;电解硫酸溶液,实际是电解水,pH变小。
[解析] (6)电子不能通过溶液。
2.[2024·辽宁沈阳重点高中联合体联考] 电化学原理在工农业生产中有重要应用。已知N2H4是一种重要的清洁高能液体燃料,产物无污染。根据如图所示装置回答下列问题(C1~C6均为石墨电极,假设各装置在工作过程中溶液体积不变)(1)甲装置C2电极为 极,C1电极上的电极反应式为 。
N2H4-4e-+4OH- = N2↑+4H2O
[解析] (1)甲为燃料电池,肼和氧气发生反应生成无污染物,即生成氮气和水,所以通入肼的一极为负极,通入氧气的一极为正极,负极上肼失去电子发生氧化反应生成氮气,电极反应式为N2H4-4e-+4OH- = N2↑+4H2O。
(2)装置中Ag电极上的电极反应式为 ,若乙装置中溶液体积为400 mL,开始时溶液pH为6,当电极上通过0.04 ml电子时溶液pH约为 。
Ag++e- = Ag
[解析] (1)(2)和电池正极相连的C3以及C4和铁为阳极,和电池负极相连的C6以及C5和银为阴极,银电极上Ag+得到电子生成银:Ag++e- = Ag;C3电极上发生的电极反应为2H2O-4e- = O2↑+4H+,当电极上通过0.04 ml电子时,生成0.04 ml H+,电解后乙装置溶液中H+的物质的量为0.04 ml+0.4 L×10-6ml·L-1≈0.04 ml,溶液体积为400 mL,则H+浓度为0.1 ml·L-1,所以溶液的pH=1。
(3)丙装置用于处理含高浓度硫酸钠的废水,同时获得H2SO4、NaOH和H2,膜X为 (填“阳离子”“阴离子”或“质子”)交换膜。
(4)电解一段时间后,丁装置中能观察到的现象是 ,丁装置中电解反应的总化学方程式为 。
Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀
[解析] (4)丁装置中铁为阳极,在阳极铁失去电子转化为Fe2+,阴极的电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,OH-和Fe2+反应生成Fe(OH)2,Fe(OH)2易被氧化为红褐色的Fe(OH)3,电解一段时间后,丁装置中能观察到Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀,丁装置中电解反应的总化学方程式为Fe+2H2O Fe(OH)2+H2↑。
题组一 电解原理及规律
1.[2023·北京东城区一模] 用石墨作电极电解a浊液,记录如表。
下列说法不正确的是( )A.Ⅰ中阳极气体可能为Cl2和O2,Ⅱ中阳极气体为O2B.Ⅰ和Ⅱ中阴极生成气体的方程式均为2H2O+2e- = H2↑+2OH-C.Ⅱ中液体变为棕黄色,说明阳极上发生了反应2AgI-2e- = I2+2Ag+D.两实验阴极现象有差异的原因可能是Ⅱ中c(Ag+)比Ⅰ中的小
[解析] Ⅰ 中Cl-和H2O均可能在阳极发生氧化反应,则 Ⅰ 中阳极气体可能为Cl2和O2,Ⅱ 中阳极气体为氧气,A正确;Ⅰ和 Ⅱ 中阴极生成气体都是H2O在阴极发生还原反应生成的,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,B正确;Ⅱ 中H2O在阳极发生氧化反应生成氧气,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,反应生成的氧气可以将I-氧化为I2而使 Ⅱ 中液体变为棕黄色,不一定是电解产生I2,C错误;AgCl的溶解度大于AgI,AgCl悬浊液中c(Ag+)大于AgI悬浊液中c(Ag+),故 Ⅰ 中Ag+在阴极放电生成银,Ⅱ 中少量Ag+在阴极放电生成银,D正确。
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.逸出气体的体积:A电极
【方法技巧】 判断电解池的阴极和阳极的方法
题组二 电解池电极反应式的书写
3.[2023·山东实验中学一模] 工业上电解MnSO4溶液制备Mn和MnO2的工作原理如图所示,下列说法错误的是( )A.电流由钛电极经MnSO4溶液流向不锈钢电极B.阳极反应式为Mn2+-2e-+2H2O = MnO2+4H+C.离子交换膜为阳离子交换膜D.当电路中有2 ml e-转移时,生成55 g Mn
4.(1)将PbO溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的电解液,电解Na2PbCl4溶液生成Pb的装置如图甲所示。写出电解时阴极的电极反应式: 。
Mn2+-2e-+2H2O = MnO2↓+4H+
【方法点拨】 电解池中电极产物的判断和电极反应式的书写
考点二 电解原理在工业生产中的应用
(1)电极反应阳极反应式: (氧化反应); 阴极反应式: (还原反应); 总反应方程式: 。 (2)阳离子交换膜的作用①允许 通过,能阻止阴离子和Cl2通过,防止发生副反应: ; ②防止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合,发生爆炸。
1. 电解饱和食盐水——氯碱工业
2H2O+2e- = H2↑+2OH-
2NaOH+Cl2 = NaCl+NaClO+H2O
2. 电镀与电解精炼铜
Cu-2e- = Cu2+
利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属,如Na、Ca、Mg、Al等。
Mg2++2e- = Mg
2O2--4e- = O2↑
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液( )(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( )
[解析] (2)MgO熔点很高,一般不用来冶炼Mg;而AlCl3为共价化合物,不存在离子,无法电解。
(4)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变( )(5)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例)允许阳离子(Na+、H+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过( )(6)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2溶液作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌( )
[解析] (4)电解精炼铜时电解质溶液中c(Cu2+)减小。
2.[2023·浙江卷] 氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗,下列说法不正确的是( )A.电极A接电源正极,发生氧化反应B.电极B的电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
[解析] 电极A上氯离子转变为氯气,氯元素的化合价升高,失去电子,发生氧化反应,则电极A作电解池阳极,接电源正极,故A正确;电极B为阴极,通入的氧气得到电子,其电极反应式为2H2O+4e-+O2 = 4OH-,故B错误;右室生成氢氧根离子,应选用阳离子交换膜,左室的钠离子进入右室,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,故C正确;改进设计中增大了氧气的量,提高了电极B处的氧化性,通过反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗,故D正确。
题组一 电解原理的应用
1.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述中正确的是(已知:氧化性Fe2+[解析] 电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A错误;因氧化性:Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极反应式为Ni2++2e- = Ni,阳极质量减少是因为Zn、Fe、Ni溶解及产生阳极泥,而阴极质量增加是因为Ni析出,B错误;电解后溶液中的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C错误。
2.[2023·四川成都一模] 某种电催化法以CP、Ni2P为催化电极合成腈类化合物(RCN)和偶氮化合物(R—N = N—R),装置示意图如图所示。下列说法错误的是( )A.左侧电极的电势比右侧的高,且发生氧化反应B.阴极发生反应:2 +8e-+4H2O = +8OH-C.OH-从右侧经过阴离子交换膜向左侧移动D.每当合成得到1 ml RCN,同时合成1 ml R—N = N—R
[解析]右侧电极上硝基苯发生还原反应,则右侧电极为阴极、左侧电极的为阳极,故左侧电极的电势比右侧的高,且发生氧化反应,A正确;右侧电极上硝基苯发生还原反应,电极反应为2 +8e-+4H2O = = +8OH-,B正确;电解质溶液中阴离子向阳极移动,则OH-从右侧经过阴离子交换膜向左侧移动,C正确;阳极反应式为RCH2NH2+4OH--4e- = RCN+4H2O,根据得失电子守恒,当合成得到1 ml RCN,同时合成0.5 ml R—N = N—R,D错误。
题组二 与电解有关的计算
3.一种将电氧化法和电还原法联合处理含HCHO的酸性废水的装置如图所示。下列说法错误的是( )A.SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极为阳极B.反应前后Cl-/HClO数量不变C.消耗1 ml O2,可得到2 ml HCOOHD.外电路转移4 ml电子,能处理60 g HCHO
[解析] 当外电路有2 ml电子通过,左边电极有1 ml Cl-失去2 ml电子生成1 ml HClO,根据得失电子守恒,1 ml HClO刚好氧化1 ml甲醛生成1 ml HCOOH,右边电极1 ml O2得到2 ml电子生成1 ml H2O2,1 ml H2O2也正好把1 ml甲醛氧化成1 ml HCOOH,在电解池中Cl-在SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极失去电子发生氧化反应,该电极为阳极,O2在氧化石墨电极得到电子发生还原反应,该电极为阴极。SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极为阳极,故A正确;
在反应过程中Cl-/HClO循环利用,反应前后数量不变,故B正确;由分析可知,消耗1 ml O2,外电路转移2 ml电子,总共生成2 ml HCOOH,故C正确;转移4 ml电子,可以处理4 ml甲醛,应该是120 g,故D错误。
4.电有机合成相对于传统有机合成具有显著优势,利用如图所示装置实现电催化合成呋喃二甲酸。下列说法不正确的是( )A.催化电极b为阴极,发生还原反应B.电极a上的反应为 -6e-+2H2O = +6H+C.电路中每转移1 ml e-,阳极区与阴极区质量变化的差为2 gD.若1 ml Ni2+在催化电极a放电,可制得呋喃二甲酸26 g
[解析] 由图可知,a极上镍离子失去电子发生氧化反应,为阳极,则b为阴极。据解析,催化电极b为阴极,发生还原反应,A正确;电极a上的反应为Ni2+失去电子被氧化为NiO(OH),NiO(OH)再被 还原为Ni2+,则阳极区的总反应为 -6e-+2H2O = +6H+,B错误;
考点三 金属的腐蚀与防护
金属原子 变为金属阳离子,金属发生 反应。
(1)化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
(2)钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
Fe-2e- = Fe2+
2H++2e- = H2↑
2H2O+O2+4e- = 4OH-
Fe+2H+ = Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O = 2Fe(OH)2
(2)改变金属材料的组成,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.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物( )(2)铜在酸性较强的溶液中也可发生析氢腐蚀( )(3)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用( )
[解析] (2)铜与H+不反应。
[解析] (1)铜在潮湿的空气中腐蚀生成铜绿[Cu2(OH)2CO3]。
[解析] (3)若在铁器上镀锌,则保护层破损后,锌仍对铁有保护作用。
(4)在潮湿空气中,钢铁表面形成水膜,金属发生的一定是吸氧腐蚀( )(5)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极 ( )
[解析] (4)若水膜酸性较强,可发生析氢腐蚀。
[解析] (5)被保护金属应与电源负极相连。
2.[2023·山东潍坊二模] 地下管道表面附着的硫酸盐会促进钢铁发生厌氧腐蚀,为减少腐蚀的发生,可使钢管与外接电源相连,使其表面形成致密的Fe3O4。下列说法错误的是( )A.钢管应与电源的负极相连B.电压过高有可能会加剧腐蚀C.发生厌氧腐蚀会使土壤碱性增强D.厌氧腐蚀过程中有FeS生成
[解析] 钢管表面形成Fe3O4,失去电子,作为阳极,应与电源正极相连,A错误;电压过高,内层金属可能会继续失电子被氧化,加剧腐蚀,B正确;厌氧腐蚀中氢离子浓度减小,氢氧根离子浓度增大,碱性增强,C正确;铁失电子生成的Fe2+与S2-结合生成FeS,D正确。
1.实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如下图)。下列相关描述中不正确的是( )A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn元素的金属性弱于Fe元素B.由图示可以看出甲是海水环境下的腐蚀情况,乙是河水环境下的腐蚀情况C.两种环境下铁被腐蚀时,电极反应式均为Fe-2e- = Fe2+D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
[解析] 两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,说明金属性Fe>Sn,A正确;从腐蚀程度来讲,乙明显腐蚀比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水快,故乙是海水环境下的腐蚀情况,甲是河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应式为Fe-2e- = Fe2+,C正确;金属性Zn>Fe>Sn,用锌块作补丁,Zn作负极被腐蚀,可以保护Fe和Sn,D正确。
2.[2023·辽宁鞍山一模] 点蚀又称为孔蚀,是一种集中于金属表面很小的范围并深入金属内部的腐蚀形态。某铁合金钝化膜破损后的孔蚀如图所示,下列说法错误的是( )A.孔隙中有可能发生析氢腐蚀B.孔蚀中Fe2+水解导致电解质溶液酸性增强C.为防止孔蚀发生可以将外接电源负极与金属相连D.蚀孔外每吸收2.24 L O2,可氧化0.2 ml Fe
[解析] 孔隙中电解液呈酸性,可以发生析氢腐蚀,A正确;孔蚀中Fe2+发生水解反应:Fe2++2H2O ⇌ Fe(OH)2+2H+,导致电解质溶液酸性增强,B正确;将外接电源的负极与金属相连,金属作电解池阴极,属于外加电流法保护,可以防止孔蚀发生,C正确;题目未指明O2是否处于标准状况,不能进行计算,D错误。
【规律小结】 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,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀速率越快。
3.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。在下图所示的情境中,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] 该装置为原电池,阴极处为正极,参与电极反应的是O2或是溶液中的H+,A项错误;M比Fe活泼,M作为负极,发生氧化反应,失去的电子转移至Fe处,B项错误;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,C项正确;海水中存在大量的电解质,所以更容易发生电化学腐蚀,D项错误。
4.我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀,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- = ZnD.断电时,仍能防止铁帽被腐
[解析] 锌环与电源的正极相连,为阳极,A项正确;通电时,阴极上水放电,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,B正确;断电时,Zn比铁活泼,作负极,电极反应为Zn-2e- = Zn2+,仍能防止铁帽被腐蚀,C项错误,D项正确。
1. [2023·湖北卷] 我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x ml·h-1。下列说法错误的是( )A.b电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-B.离子交换膜为阴离子交换膜C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D.海水为电解池补水的速率为2x ml·h-1
[解析] 由图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,阳极反应为4OH--4e- = O2↑+2H2O,电解池总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,据此解答。b电极为阴极,发生还原反应,b电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,故A正确;
该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,阳极发生的电极反应为4OH--4e- = O2↑+2H2O,为保持OH-浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,即离子交换膜应为阴离子交换膜,故B正确;PTFE膜可透气但不透液态水,电解时电解槽中不断有水被消耗,海水中动能高的水分子即气态水而非液态水可穿过PTFE膜,为电解池补水,使KOH溶液的浓度不变,故C正确;由电解总反应可知,每生成1 ml H2要消耗1 ml H2O,生成H2的速率为x ml·h-1,则补水的速率也应是x ml·h-1,故D错误。
2. [2023·辽宁卷] 某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示,其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是( )A.b端电势高于a端电势B.理论上转移2 ml e-生成4 g H2C.电解后海水pH下降D.阳极发生:Cl-+H2O-2e- = HClO+H+
[解析] 由图可知,右侧电极产生氢气,则右侧钛箔-MnOx电极为阴极,b电极为负极,左侧钛网-PRT电极为阳极,a电极为正极,以此解题。由分析可知,a为正极,b为负极,则a端电势高于b端电势,A错误;阴极发生反应2H2O+2e- = H2↑+2OH-,HClO+2e- = Cl-+OH-,则理论上转移2 ml e-时,生成H2的量小于2 g,B错误;高选择性催化剂PRT可抑制O2产生,则阳极上的电极反应式为Cl-+H2O-2e- = HClO+H+,结合阴极反应式可知,电解后海水pH不会下降,C错误,D正确。
3. [2023·全国甲卷] 用可再生能源电还原CO2时,采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率,装置如下图所示。下列说法正确的是( )A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上B.Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极C.阴极发生的反应有:2CO2+12H++12e- = C2H4+4H2OD.每转移1 ml电子,阳极生成11.2 L气体(标准状况)
[解析] 结合图示装置中电源正负极连接情况,可知IrOx-Ti电极为阳极,Cu电极为阴极,析氢时H+得电子被还原,该反应应在Cu电极上进行,A错误;质子交换膜不允许Cl-通过,B错误;左侧的H+可通过质子交换膜进入阴极区,酸性条件下CO2在阴极发生还原反应生成乙烯、乙醇等,电极反应式有2CO2+12H++12e- = C2H4+4H2O,C正确;阳极上H2O放电,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,生成标准状况下11.2 L气体,其物质的量为0.5 ml,此时电路中转移2 ml电子,D错误。
4. [2022·广东卷] 为检验牺牲阳极的阴极保护法对钢铁防腐的效果,将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3% NaCl溶液中。一段时间后,取溶液分别实验,能说明铁片没有被腐蚀的是( )A.加入AgNO3溶液产生沉淀B.加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现C.加入KSCN溶液无红色出现D.加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成
[解析] 将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3% NaCl溶液中,会构成原电池,由于锌比铁活泼,所以锌作原电池的负极,而铁作正极,溶液中破损的位置会变大,当锌反应完,铁也会和酸化的氯化钠溶液反应产生氢气,溶液中会有亚铁离子生成。氯化钠溶液中始终存在氯离子,所以加入硝酸银溶液后,不管铁片是否被腐蚀,均会出现白色沉淀,故A不符合题意;淀粉碘化钾溶液可检测氧化性物质,但不论铁片是否被腐蚀,均无氧化性物质可与碘化钾发生反应,故B不符合题意; KSCN溶液可检测铁离子的存在,溶液中不会出现铁离子,所以无论铁片是否被腐蚀,加入KSCN溶液后,均无红色出现,故C不符合题意; K3[Fe(CN)6]是用于检测Fe2+的试剂,若铁片没有被腐蚀,则溶液中不会生成亚铁离子,则加入K3[Fe(CN)6]溶液就不会出现蓝色沉淀,故D符合题意。
5. [2022·湖北卷] 含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P(CN)2],过程如图所示(Me为甲基)。下列说法正确的是( )A.生成1 ml Li[P(CN)2],理论上外电路需要转移2 ml电子B.阴极上的电极反应为P4+8CN--4e- = 4[P(CN)2]-C.在电解过程中CN-向铂电极移动D.电解产生的H2中的氢元素来自LiOH
[解析] P4→Li[P(CN)2],P元素的化合价升高,发生氧化反应,所以石墨电极为阳极,对应的电极反应式为P4+8CN--4e- = 4[P(CN)2]-,则生成1 ml Li[P(CN)2],理论上外电路需要转移1 ml电子,A错误;阴极上得电子发生还原反应,对应的电极反应式为2HCN+2e- = H2↑+2CN-,B错误;电解过程中,CN-应该向阳极移动,即移向石墨电极,C错误;由图示可知HCN在阴极放电,产生CN-和H2,而HCN中的H来自LiOH,则电解产生的H2中的氢元素来自LiOH,D正确。
1. [2022·浙江卷] 通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2,电解示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒,但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。下列说法不正确的是( )A.电极A为阴极,发生还原反应B.电极B的电极反应:2H2O+Mn2+-2e- = MnO2+4H+C.电解一段时间后溶液中Mn2+浓度保持不变D.电解结束,可通过调节pH除去Mn2+,再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3
[解析] 电极B上Mn2+转化为MnO2,锰元素化合价升高,失电子,则电极B为阳极,电极A为阴极,阴极得电子,发生还原反应,A正确;电极B上Mn2+失电子转化为MnO2,电极反应式为2H2O+Mn2+-2e- = MnO2+4H+,B正确;
电极A为阴极,LiMn2O4得电子,电极反应式为LiMn2O4+3e-+8H+ = Li++2Mn2++4H2O,依据得失电子守恒,电解池总反应为2LiMn2O4+4H+ = 2Li++Mn2++3MnO2+2H2O,反应生成了Mn2+,电解过程中Mn2+浓度逐渐增大,C错误;通过调节溶液pH将Mn2+转化为Mn(OH)2沉淀除去,再加入Na2CO3溶液,将Li+转化为Li2CO3,D正确。
2. 利用 (Q)与 (QH2)电解转化法从烟气中分离CO2的原理如图。已知气体可选择性通过膜电极,溶液不能通过。下列说法错误的是( )A.a为电源负极B.溶液中Q的物质的量保持不变C.CO2在M极被还原D.分离出的CO2从出口2排出
[解析] 由题干信息可知,M极发生的是由 (Q)转化为 (QH2)的过程,该过程是一个还原反应,故M极为阴极,电极反应式为 +2H2O+2e- = +2OH-,故与M极相连的a电极为负极,N极为阳极,电极反应式为 -2e- = +2H+,b极为电源正极。由分析可知,a为电源负极,A项正确;
4. 沿海电厂采用海水为冷却水,但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题,通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示),通入一定的电流。下列叙述错误的是( )A.阳极发生将海水中的Cl-氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
[解析] 电极均为惰性电极,海水中的离子放电。阳极上Cl-放电生成Cl2,Cl2在碱性海水中生成的NaClO具有灭杀附着生物的作用,A、B项正确;阴极生成的H2易燃易爆炸,应及时稀释后排放至大气中,防止爆炸,C项正确;阴极区域OH-增多或碱性增强,产生Mg(OH)2沉淀,D项错误。
5. 钴(C)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。下图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是( )A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1 ml C,Ⅰ室溶液质量理论上减少16 gC.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应:2C2++2H2O 2C+O2↑+4H+
[解析] 阳极是水放电,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,Ⅰ室的H+经阳离子交换膜向Ⅱ室中移动,则工作时,Ⅰ室硫酸浓度增大,Ⅱ室H+浓度增大,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均减小,A项错误。生成1 ml C,则整个电路中转移2 ml电子,Ⅰ室溶液质量理论上减少1 ml O和2 ml H,共减少18 g,B项错误。移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应是2Cl--2e- = Cl2↑,C项错误。工作时,阳极是水放电,阴极是C2+放电,其电解总反应为2C2++2H2O 2C+O2↑+4H+,D项正确。
6. 镍镉电池是二次电池,其工作原理示意图如下(L为小灯泡,K1、K2为开关,a、b为直流电源的两极)。下列说法不正确的是( )A.断开K2、合上K1,镍镉电池能量转化形式:化学能→电能B.断开K1、合上K2,电极A为阴极,发生还原反应C.电极B发生氧化反应过程中,溶液中KOH浓度不变D.镍镉二次电池的总反应式:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
[解析] 断开K2、合上K1,装置为原电池,能量转化形式为化学能→电能,A项正确;断开K1、合上K2,则装置为电解池,电极A与电源负极相连,故电极A为阴极,阴极发生还原反应,B项正确;
电极B发生氧化反应,应为电解池阳极发生的反应,有元素化合价升高,失去电子,电极反应式为2Ni(OH)2+2OH――2e- = 2NiOOH+2H2O,电极A为阴极,得电子,电极反应式为Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-,总反应为Cd(OH)2+2Ni(OH)2 Cd+2NiOOH+2H2O,反应中生成水,KOH浓度降低,C项错误;镍镉二次电池的总反应式为Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2,D项正确。
考点一 电解原理及简单应用
[解析] 等物质的量的Na2SO4、AgNO3、KCl混合液中Cl-与Ag+等物质的量反应生成AgCl沉淀,溶液变为Na2SO4、KNO3混合溶液,则电解时相当于电解水,阴极和阳极析出的物质分别为H2、O2,C项正确。
1. 用惰性电极电解等物质的量的Na2SO4、AgNO3、KCl的混合液,最先从阴极和阳极上析出的物质分别是( )A.H2和Cl2 B.Ag和Cl2C.H2和O2 D.Ag和O2
2. [2024·湖北武汉华师一附中模拟] 如图中X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a电极质量增加,b电极处有无色无味气体放出,符合这一情况的是 ( )
[解析] 通电后发现a极质量增加,金属阳离子在a极上得电子,a极是阴极,溶液中金属元素在金属活动性顺序中处于氢元素后边;b极是阳极,b极处有无色无味气体放出,即溶液中氢氧根离子或水放电生成氧气,电极必须是惰性电极,电解质溶液中的阴离子必须是OH-或含氧酸根离子,A符合题意。
[解析] AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4溶液随电解的进行,有酸产生,溶液pH降低;KCl、CaCl2溶液随电解的进行,有碱产生,溶液pH升高;电解CuCl2、HCl溶液,相当于电解电解质本身,溶液中CuCl2、HCl减少,对应的H+减少,溶液的pH升高;电解KOH、HNO3、Na2SO4溶液相当于电解H2O,电解质溶液浓度增大,对应碱溶液的碱性更强,酸溶液的酸性更强,中性溶液的pH不变,B符合题意。
3. [2024·山东实验中学模拟] 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)2B.KCl、Na2SO4、CuSO4C.CaCl2、KOH、NaNO3D.HCl、HNO3、K2SO4
4. 电解原理在化学工业中有着广泛的应用。如图表示一个电解池,装有电解液a,X、Y是两块电极板,通过导线与直流电源相连。请回答下列问题:(1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在两侧各滴加几滴酚酞溶液,则:①电解池中X极上的电极反应式为 , 在X极附近观察到的现象是 。 ②Y极上的电极反应式为 ,检验该电极反应产物的方法是 。
2H2O+2e- = 2OH-+H2↑
将湿润的淀粉-KI试纸接近Y极出气口,试纸变蓝
[解析] (1)①若X、Y是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,X极与电源负极相连,则X极是阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- = 2OH-+H2↑,由于生成OH-,X极附近溶液呈碱性,观察到X极产生气泡,溶液变成红色。②Y极与电源的正极相连,则Y极是阳极,Cl-在阳极上发生氧化反应生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e- = Cl2↑;利用湿润的淀粉-KI试纸检验生成的Cl2,试纸变成蓝色。
[解析] (2)①电解精炼粗铜时,纯铜作阴极,粗铜作阳极,则X极是纯铜,Cu2+在该电极上发生还原反应生成Cu,电极反应式为Cu2++2e- = Cu。②Y极是粗铜,自身失电子发生氧化反应,则电极反应式为Cu-2e- = Cu2+。
(2)若用电解法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则有:①X极的材料是 ,电极反应式为 。 ②Y极的材料是 ,电极反应式为 (说明:杂质发生的电极反应不必写出)。
考点二 应用电解原理进行物质制备
6. [2023·天津红桥区一模] 我国科技工作者设计了一种电解装置,能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气(CO和H2),原理如图所示,下列说法错误的是( )A.催化电极b与电源负极相连B.电解时催化电极a附近的pH增大C.电解时阴离子透过交换膜向a极迁移D.生成合成气时电极上发生还原反应
7. 以间硝基甲苯( )为原料,采用间接成对电解合成间氨基苯甲酸( )的装置如图所示(离子交换膜只允许离子通过),下列说法中错误的是( )A.电极A应与电源的负极相连B.装置中的离子交换膜为阳离子交换膜C.每生成1 ml 同时生成1 ml Ti4+D.电解池工作时,理论上,阴极区电解质溶液pH升高
8. [2023·山东临沂二模] 己二腈[NC(CH2)4CN]是合成尼龙-66的中间体。利用丙烯腈(CH2 = CHCN)电解制备己二腈的原理如图甲所示;己二腈、丙腈(C2H5CN)的生成速率与季铵盐浓度的关系如图乙所示。
下列说法错误的是( )A.季铵盐作电解质,并有利于丙烯腈的溶解B.电解过程中稀硫酸的浓度逐渐增大C.生成己二腈的电极反应式为2CH2 = CHCN+2e-+2H+ = NC(CH2)4CND.季铵盐的浓度为1.5×10-2 ml·L-1时,电解1 h 通过质子交换膜的n(H+)为4.2×10-3 ml
[解析] 季铵盐属于盐类,能电离,作电解质,根据装置图可判断丙烯腈可溶于季铵盐溶液中,还有利于丙烯腈的溶解,A正确;阳极是水放电生成氧气,电极反应式为2H2O-4e- = 4H++O2↑,生成的氢离子通过质子交换膜进入阴极室,电解过程中阳极室溶剂减少,硫酸的物质的量不变,因此电解过程中稀硫酸的浓度逐渐增大,B正确;丙烯腈在阴极得到电子生成己二腈,生成己二腈的电极反应式为2CH2 = CHCN+2e-+2H+ = NC(CH2)4CN,C正确;
生成丙腈的电极反应式为CH2 = CHCN+2e-+2H+ = CH3CH2CN,季铵盐的浓度为1.5×10-2 ml·L-1时,己二腈和丙腈的生成速率分别为3.4×10-3 ml·h-1和0.8×10-3 ml·h-1,则每小时通过质子交换膜的氢离子的物质的量最少为3.4×10-3 ml·h-1×1 h×2+0.8×10-3 ml·h-1×1 h×2=8.4×10-3 ml,D错误。
考点三 应用电解原理进行物质转化与处理
[解析] Y电极为阳极,电极反应式为2Cl--2e- = Cl2↑,要使海水淡化,M、N之间海水中的阴离子需透过离子交换膜N进入右侧溶液,则N为阴离子交换膜,A正确;电解时,Y电极上产生的Cl2为有色气体,B正确;X电极为阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,溶液中c(OH-)增大,海水中通过离子交换膜的阳离子Mg2+、Ca2+易产生Mg(OH)2、Ca(OH)2沉淀而使X电极区域出现浑浊,C正确,D错误。
10. [2023·辽宁鞍山一模] 处理高浓度的乙醛废水的新方法有隔膜电解法,总反应为2CH3CHO+H2O CH3CH2OH+CH3COOH(不考虑其他反应)。实验室中,以一定浓度的乙醛和H2SO4溶液为电解质溶液,模拟含乙醛的工业废水,用惰性电极进行电解,其装置如图所示,下列说法错误的是( )A.b电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- = CH3COOH+2H+B.电解一段时间后,电解池右侧pH增大C.若以CH4-空气燃料电池为直流电源,a极应该与燃料电池中通入CH4的一极相连D.理论上处理1 ml乙醛,将有1 ml H+通过质子交换膜
[解析] b电极为阳极,电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- = CH3COOH+2H+,A正确;电解一段时间后,电解池右侧消耗水,生成弱酸CH3COOH和H+,H+通过质子交换膜移向左侧,总的结果是pH减小,B错误;若以CH4-空气燃料电池为直流电源,燃料电池的a极应该通入CH4,C正确;由阳极反应式可知,理论上阴、阳极同时处理1 ml乙醛,有2 ml电子发生转移,将有2 ml H+通过质子交换膜,则处理1 ml 乙醛,将有1 ml H+通过质子交换膜,D正确。
12. 亚硝酸盐广泛存在于各种水体中,可用电解法对其进行处理。已知通电后,左极区溶液立即变为浅绿色,随后生成无色气体。下列说法正确的是( )A.a膜为阴离子交换膜B.若用铅酸蓄电池进行电解,M应接Pb电极C.两极区产生的N2和H2物质的量之比为6∶1D.当铁电极消耗16.8 g时,理论上可以处理含5% NaNO2的污水138 g
13. 利用电解池原理可将CO2转化为燃料或者化学品。下图通过将CO2与辛胺反应耦合,实现了两电极体系中产物的高选择性合成。下列说法正确的是( )A.装置中b电极为阴极,发生还原反应B.电极a的电极反应可能为CO2+2e-+H2O = HCOO-+OH-C.中间的离子交换膜一定是质子交换膜D.电解过程中,a、b两极反应物的物质的量之比为2∶1
[解析] 利用电解池原理可将CO2转化为燃料或者化学品,反应过程中碳元素的化合价降低,得到电子,则a极为阴极,b极为阳极,辛胺转化为辛腈。装置中b电极为阳极,失去电子,发生氧化反应,A错误;电极a为阴极,电极反应可能为CO2+2e-+H2O = HCOO-+OH-,B正确;中间的离子交换膜可以是阴离子交换膜,C错误;电解过程中,a极CO2转化为燃料或者化学品,b极辛胺转化为辛腈,由于电极a的产物不确定,则反应物的物质的量之比不确定,D错误。
14. [2024·山东肥城期初调研] 支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流法进行防腐,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
考点四 金属的腐蚀与防护
[解析] 钢管桩接电源的负极,高硅铸铁接电源的正极,通电后,外电路中的电子从高硅铸铁(阳极)流向正极,从负极流向钢管桩(阴极),A、B均正确;题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”,不损耗,C错误。
15. 利用如下实验探究铁钉在不同溶液中的吸氧腐蚀。
下列说法不正确的是( )A.①与④和⑤比较说明盐溶液可以加快吸氧腐蚀速率B.②与③,④与⑤比较说明吸氧腐蚀速率可能与阴离子种类有关C.向实验⑤溶液中加入少量(NH4)2SO4固体,吸氧腐蚀速率加快D.向实验②溶液中加等体积的0.5 ml·L-1 (NH4)2SO4,吸氧腐蚀速率一定加快
[解析] NaCl和Na2SO4都是强酸强碱盐,①与④⑤比较,水中加入盐,增强了溶液的导电性,加快了吸氧腐蚀速率,A正确;②与③都是铵盐,④与⑤都是钠盐,二者所含阴离子种类不同,说明吸氧腐蚀速率可能与阴离子种类有关,B正确;
第28讲 电解池 金属的腐蚀与防护
考点一 电解原理及规律考点二 电解原理在工业生产中的应用考点三 金属的腐蚀与防护经典真题·明考向作业手册
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考点一 电解原理及规律
(1)电解使 通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起 反应的过程。 (2)电解池将 转化为 的装置。
2. 电解池的构成条件
(2)电子和离子的移动方向
(3)电解CuCl2溶液(惰性电极)电解总反应的化学方程式: 。 [微点拨1] 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。
Cu2++2e- = Cu
2Cl--2e- = Cl2↑
(1)阳极产物的判断①活性电极(除Au、Pt外的金属)作阳极,则活性电极 电子,发生 反应。 ②惰性电极(Pt、石墨等)作阳极,要依据阴离子的放电顺序判断。阴离子的放电顺序如下:
[微点拨3] ①阳离子的放电顺序遵循氧化还原反应的“先后规律”,前提条件是各种离子的浓度相差不大。②金属阳离子(除Fe3+)放电,则得到相应的金属,H+放电则得到H2;Fe3+放电一般转化为Fe2+。
5. 以惰性电极电解电解质溶液的四种类型
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)原电池的正极和电解池的阳极均发生氧化反应( )(2)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程( )(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( )
[解析] (3)Cl2在阳极生成。
(4)电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大( )(5)用Cu作电极电解盐酸可发生Cu+2H+ Cu2++H2↑( )(6)电解池工作时电子从电源的负极流出,流入阴极通过溶液到阳极,然后从阳极流出,流回电源正极( )
[解析] (4)电解盐酸,pH变大;电解硫酸溶液,实际是电解水,pH变小。
[解析] (6)电子不能通过溶液。
2.[2024·辽宁沈阳重点高中联合体联考] 电化学原理在工农业生产中有重要应用。已知N2H4是一种重要的清洁高能液体燃料,产物无污染。根据如图所示装置回答下列问题(C1~C6均为石墨电极,假设各装置在工作过程中溶液体积不变)(1)甲装置C2电极为 极,C1电极上的电极反应式为 。
N2H4-4e-+4OH- = N2↑+4H2O
[解析] (1)甲为燃料电池,肼和氧气发生反应生成无污染物,即生成氮气和水,所以通入肼的一极为负极,通入氧气的一极为正极,负极上肼失去电子发生氧化反应生成氮气,电极反应式为N2H4-4e-+4OH- = N2↑+4H2O。
(2)装置中Ag电极上的电极反应式为 ,若乙装置中溶液体积为400 mL,开始时溶液pH为6,当电极上通过0.04 ml电子时溶液pH约为 。
Ag++e- = Ag
[解析] (1)(2)和电池正极相连的C3以及C4和铁为阳极,和电池负极相连的C6以及C5和银为阴极,银电极上Ag+得到电子生成银:Ag++e- = Ag;C3电极上发生的电极反应为2H2O-4e- = O2↑+4H+,当电极上通过0.04 ml电子时,生成0.04 ml H+,电解后乙装置溶液中H+的物质的量为0.04 ml+0.4 L×10-6ml·L-1≈0.04 ml,溶液体积为400 mL,则H+浓度为0.1 ml·L-1,所以溶液的pH=1。
(3)丙装置用于处理含高浓度硫酸钠的废水,同时获得H2SO4、NaOH和H2,膜X为 (填“阳离子”“阴离子”或“质子”)交换膜。
(4)电解一段时间后,丁装置中能观察到的现象是 ,丁装置中电解反应的总化学方程式为 。
Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀
[解析] (4)丁装置中铁为阳极,在阳极铁失去电子转化为Fe2+,阴极的电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,OH-和Fe2+反应生成Fe(OH)2,Fe(OH)2易被氧化为红褐色的Fe(OH)3,电解一段时间后,丁装置中能观察到Fe电极逐渐溶解,C6电极上有气泡产生,溶液中出现红褐色沉淀,丁装置中电解反应的总化学方程式为Fe+2H2O Fe(OH)2+H2↑。
题组一 电解原理及规律
1.[2023·北京东城区一模] 用石墨作电极电解a浊液,记录如表。
下列说法不正确的是( )A.Ⅰ中阳极气体可能为Cl2和O2,Ⅱ中阳极气体为O2B.Ⅰ和Ⅱ中阴极生成气体的方程式均为2H2O+2e- = H2↑+2OH-C.Ⅱ中液体变为棕黄色,说明阳极上发生了反应2AgI-2e- = I2+2Ag+D.两实验阴极现象有差异的原因可能是Ⅱ中c(Ag+)比Ⅰ中的小
[解析] Ⅰ 中Cl-和H2O均可能在阳极发生氧化反应,则 Ⅰ 中阳极气体可能为Cl2和O2,Ⅱ 中阳极气体为氧气,A正确;Ⅰ和 Ⅱ 中阴极生成气体都是H2O在阴极发生还原反应生成的,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,B正确;Ⅱ 中H2O在阳极发生氧化反应生成氧气,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,反应生成的氧气可以将I-氧化为I2而使 Ⅱ 中液体变为棕黄色,不一定是电解产生I2,C错误;AgCl的溶解度大于AgI,AgCl悬浊液中c(Ag+)大于AgI悬浊液中c(Ag+),故 Ⅰ 中Ag+在阴极放电生成银,Ⅱ 中少量Ag+在阴极放电生成银,D正确。
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.逸出气体的体积:A电极
【方法技巧】 判断电解池的阴极和阳极的方法
题组二 电解池电极反应式的书写
3.[2023·山东实验中学一模] 工业上电解MnSO4溶液制备Mn和MnO2的工作原理如图所示,下列说法错误的是( )A.电流由钛电极经MnSO4溶液流向不锈钢电极B.阳极反应式为Mn2+-2e-+2H2O = MnO2+4H+C.离子交换膜为阳离子交换膜D.当电路中有2 ml e-转移时,生成55 g Mn
4.(1)将PbO溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的电解液,电解Na2PbCl4溶液生成Pb的装置如图甲所示。写出电解时阴极的电极反应式: 。
Mn2+-2e-+2H2O = MnO2↓+4H+
【方法点拨】 电解池中电极产物的判断和电极反应式的书写
考点二 电解原理在工业生产中的应用
(1)电极反应阳极反应式: (氧化反应); 阴极反应式: (还原反应); 总反应方程式: 。 (2)阳离子交换膜的作用①允许 通过,能阻止阴离子和Cl2通过,防止发生副反应: ; ②防止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合,发生爆炸。
1. 电解饱和食盐水——氯碱工业
2H2O+2e- = H2↑+2OH-
2NaOH+Cl2 = NaCl+NaClO+H2O
2. 电镀与电解精炼铜
Cu-2e- = Cu2+
利用电解熔融盐(或氧化物)的方法来冶炼活泼金属,如Na、Ca、Mg、Al等。
Mg2++2e- = Mg
2O2--4e- = O2↑
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液( )(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( )
[解析] (2)MgO熔点很高,一般不用来冶炼Mg;而AlCl3为共价化合物,不存在离子,无法电解。
(4)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变( )(5)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例)允许阳离子(Na+、H+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过( )(6)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2溶液作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌( )
[解析] (4)电解精炼铜时电解质溶液中c(Cu2+)减小。
2.[2023·浙江卷] 氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗,下列说法不正确的是( )A.电极A接电源正极,发生氧化反应B.电极B的电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
[解析] 电极A上氯离子转变为氯气,氯元素的化合价升高,失去电子,发生氧化反应,则电极A作电解池阳极,接电源正极,故A正确;电极B为阴极,通入的氧气得到电子,其电极反应式为2H2O+4e-+O2 = 4OH-,故B错误;右室生成氢氧根离子,应选用阳离子交换膜,左室的钠离子进入右室,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,故C正确;改进设计中增大了氧气的量,提高了电极B处的氧化性,通过反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗,故D正确。
题组一 电解原理的应用
1.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述中正确的是(已知:氧化性Fe2+
2.[2023·四川成都一模] 某种电催化法以CP、Ni2P为催化电极合成腈类化合物(RCN)和偶氮化合物(R—N = N—R),装置示意图如图所示。下列说法错误的是( )A.左侧电极的电势比右侧的高,且发生氧化反应B.阴极发生反应:2 +8e-+4H2O = +8OH-C.OH-从右侧经过阴离子交换膜向左侧移动D.每当合成得到1 ml RCN,同时合成1 ml R—N = N—R
[解析]右侧电极上硝基苯发生还原反应,则右侧电极为阴极、左侧电极的为阳极,故左侧电极的电势比右侧的高,且发生氧化反应,A正确;右侧电极上硝基苯发生还原反应,电极反应为2 +8e-+4H2O = = +8OH-,B正确;电解质溶液中阴离子向阳极移动,则OH-从右侧经过阴离子交换膜向左侧移动,C正确;阳极反应式为RCH2NH2+4OH--4e- = RCN+4H2O,根据得失电子守恒,当合成得到1 ml RCN,同时合成0.5 ml R—N = N—R,D错误。
题组二 与电解有关的计算
3.一种将电氧化法和电还原法联合处理含HCHO的酸性废水的装置如图所示。下列说法错误的是( )A.SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极为阳极B.反应前后Cl-/HClO数量不变C.消耗1 ml O2,可得到2 ml HCOOHD.外电路转移4 ml电子,能处理60 g HCHO
[解析] 当外电路有2 ml电子通过,左边电极有1 ml Cl-失去2 ml电子生成1 ml HClO,根据得失电子守恒,1 ml HClO刚好氧化1 ml甲醛生成1 ml HCOOH,右边电极1 ml O2得到2 ml电子生成1 ml H2O2,1 ml H2O2也正好把1 ml甲醛氧化成1 ml HCOOH,在电解池中Cl-在SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极失去电子发生氧化反应,该电极为阳极,O2在氧化石墨电极得到电子发生还原反应,该电极为阴极。SnO2-PdO-RuO2-TiO2电极为阳极,故A正确;
在反应过程中Cl-/HClO循环利用,反应前后数量不变,故B正确;由分析可知,消耗1 ml O2,外电路转移2 ml电子,总共生成2 ml HCOOH,故C正确;转移4 ml电子,可以处理4 ml甲醛,应该是120 g,故D错误。
4.电有机合成相对于传统有机合成具有显著优势,利用如图所示装置实现电催化合成呋喃二甲酸。下列说法不正确的是( )A.催化电极b为阴极,发生还原反应B.电极a上的反应为 -6e-+2H2O = +6H+C.电路中每转移1 ml e-,阳极区与阴极区质量变化的差为2 gD.若1 ml Ni2+在催化电极a放电,可制得呋喃二甲酸26 g
[解析] 由图可知,a极上镍离子失去电子发生氧化反应,为阳极,则b为阴极。据解析,催化电极b为阴极,发生还原反应,A正确;电极a上的反应为Ni2+失去电子被氧化为NiO(OH),NiO(OH)再被 还原为Ni2+,则阳极区的总反应为 -6e-+2H2O = +6H+,B错误;
考点三 金属的腐蚀与防护
金属原子 变为金属阳离子,金属发生 反应。
(1)化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
(2)钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
Fe-2e- = Fe2+
2H++2e- = H2↑
2H2O+O2+4e- = 4OH-
Fe+2H+ = Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O = 2Fe(OH)2
(2)改变金属材料的组成,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.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物( )(2)铜在酸性较强的溶液中也可发生析氢腐蚀( )(3)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用( )
[解析] (2)铜与H+不反应。
[解析] (1)铜在潮湿的空气中腐蚀生成铜绿[Cu2(OH)2CO3]。
[解析] (3)若在铁器上镀锌,则保护层破损后,锌仍对铁有保护作用。
(4)在潮湿空气中,钢铁表面形成水膜,金属发生的一定是吸氧腐蚀( )(5)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极 ( )
[解析] (4)若水膜酸性较强,可发生析氢腐蚀。
[解析] (5)被保护金属应与电源负极相连。
2.[2023·山东潍坊二模] 地下管道表面附着的硫酸盐会促进钢铁发生厌氧腐蚀,为减少腐蚀的发生,可使钢管与外接电源相连,使其表面形成致密的Fe3O4。下列说法错误的是( )A.钢管应与电源的负极相连B.电压过高有可能会加剧腐蚀C.发生厌氧腐蚀会使土壤碱性增强D.厌氧腐蚀过程中有FeS生成
[解析] 钢管表面形成Fe3O4,失去电子,作为阳极,应与电源正极相连,A错误;电压过高,内层金属可能会继续失电子被氧化,加剧腐蚀,B正确;厌氧腐蚀中氢离子浓度减小,氢氧根离子浓度增大,碱性增强,C正确;铁失电子生成的Fe2+与S2-结合生成FeS,D正确。
1.实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如下图)。下列相关描述中不正确的是( )A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn元素的金属性弱于Fe元素B.由图示可以看出甲是海水环境下的腐蚀情况,乙是河水环境下的腐蚀情况C.两种环境下铁被腐蚀时,电极反应式均为Fe-2e- = Fe2+D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
[解析] 两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,说明金属性Fe>Sn,A正确;从腐蚀程度来讲,乙明显腐蚀比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水快,故乙是海水环境下的腐蚀情况,甲是河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应式为Fe-2e- = Fe2+,C正确;金属性Zn>Fe>Sn,用锌块作补丁,Zn作负极被腐蚀,可以保护Fe和Sn,D正确。
2.[2023·辽宁鞍山一模] 点蚀又称为孔蚀,是一种集中于金属表面很小的范围并深入金属内部的腐蚀形态。某铁合金钝化膜破损后的孔蚀如图所示,下列说法错误的是( )A.孔隙中有可能发生析氢腐蚀B.孔蚀中Fe2+水解导致电解质溶液酸性增强C.为防止孔蚀发生可以将外接电源负极与金属相连D.蚀孔外每吸收2.24 L O2,可氧化0.2 ml Fe
[解析] 孔隙中电解液呈酸性,可以发生析氢腐蚀,A正确;孔蚀中Fe2+发生水解反应:Fe2++2H2O ⇌ Fe(OH)2+2H+,导致电解质溶液酸性增强,B正确;将外接电源的负极与金属相连,金属作电解池阴极,属于外加电流法保护,可以防止孔蚀发生,C正确;题目未指明O2是否处于标准状况,不能进行计算,D错误。
【规律小结】 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,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀速率越快。
3.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。在下图所示的情境中,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] 该装置为原电池,阴极处为正极,参与电极反应的是O2或是溶液中的H+,A项错误;M比Fe活泼,M作为负极,发生氧化反应,失去的电子转移至Fe处,B项错误;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,C项正确;海水中存在大量的电解质,所以更容易发生电化学腐蚀,D项错误。
4.我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象,在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀,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- = ZnD.断电时,仍能防止铁帽被腐
[解析] 锌环与电源的正极相连,为阳极,A项正确;通电时,阴极上水放电,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,B正确;断电时,Zn比铁活泼,作负极,电极反应为Zn-2e- = Zn2+,仍能防止铁帽被腐蚀,C项错误,D项正确。
1. [2023·湖北卷] 我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x ml·h-1。下列说法错误的是( )A.b电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-B.离子交换膜为阴离子交换膜C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜D.海水为电解池补水的速率为2x ml·h-1
[解析] 由图可知,该装置为电解水制取氢气的装置,a电极与电源正极相连,为电解池的阳极,b电极与电源负极相连,为电解池的阴极,阴极反应为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,阳极反应为4OH--4e- = O2↑+2H2O,电解池总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,据此解答。b电极为阴极,发生还原反应,b电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,故A正确;
该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,阳极发生的电极反应为4OH--4e- = O2↑+2H2O,为保持OH-浓度不变,则阴极产生的OH-要通过离子交换膜进入阳极室,即离子交换膜应为阴离子交换膜,故B正确;PTFE膜可透气但不透液态水,电解时电解槽中不断有水被消耗,海水中动能高的水分子即气态水而非液态水可穿过PTFE膜,为电解池补水,使KOH溶液的浓度不变,故C正确;由电解总反应可知,每生成1 ml H2要消耗1 ml H2O,生成H2的速率为x ml·h-1,则补水的速率也应是x ml·h-1,故D错误。
2. [2023·辽宁卷] 某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示,其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。下列说法正确的是( )A.b端电势高于a端电势B.理论上转移2 ml e-生成4 g H2C.电解后海水pH下降D.阳极发生:Cl-+H2O-2e- = HClO+H+
[解析] 由图可知,右侧电极产生氢气,则右侧钛箔-MnOx电极为阴极,b电极为负极,左侧钛网-PRT电极为阳极,a电极为正极,以此解题。由分析可知,a为正极,b为负极,则a端电势高于b端电势,A错误;阴极发生反应2H2O+2e- = H2↑+2OH-,HClO+2e- = Cl-+OH-,则理论上转移2 ml e-时,生成H2的量小于2 g,B错误;高选择性催化剂PRT可抑制O2产生,则阳极上的电极反应式为Cl-+H2O-2e- = HClO+H+,结合阴极反应式可知,电解后海水pH不会下降,C错误,D正确。
3. [2023·全国甲卷] 用可再生能源电还原CO2时,采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率,装置如下图所示。下列说法正确的是( )A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上B.Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极C.阴极发生的反应有:2CO2+12H++12e- = C2H4+4H2OD.每转移1 ml电子,阳极生成11.2 L气体(标准状况)
[解析] 结合图示装置中电源正负极连接情况,可知IrOx-Ti电极为阳极,Cu电极为阴极,析氢时H+得电子被还原,该反应应在Cu电极上进行,A错误;质子交换膜不允许Cl-通过,B错误;左侧的H+可通过质子交换膜进入阴极区,酸性条件下CO2在阴极发生还原反应生成乙烯、乙醇等,电极反应式有2CO2+12H++12e- = C2H4+4H2O,C正确;阳极上H2O放电,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,生成标准状况下11.2 L气体,其物质的量为0.5 ml,此时电路中转移2 ml电子,D错误。
4. [2022·广东卷] 为检验牺牲阳极的阴极保护法对钢铁防腐的效果,将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3% NaCl溶液中。一段时间后,取溶液分别实验,能说明铁片没有被腐蚀的是( )A.加入AgNO3溶液产生沉淀B.加入淀粉碘化钾溶液无蓝色出现C.加入KSCN溶液无红色出现D.加入K3[Fe(CN)6]溶液无蓝色沉淀生成
[解析] 将镀层有破损的镀锌铁片放入酸化的3% NaCl溶液中,会构成原电池,由于锌比铁活泼,所以锌作原电池的负极,而铁作正极,溶液中破损的位置会变大,当锌反应完,铁也会和酸化的氯化钠溶液反应产生氢气,溶液中会有亚铁离子生成。氯化钠溶液中始终存在氯离子,所以加入硝酸银溶液后,不管铁片是否被腐蚀,均会出现白色沉淀,故A不符合题意;淀粉碘化钾溶液可检测氧化性物质,但不论铁片是否被腐蚀,均无氧化性物质可与碘化钾发生反应,故B不符合题意; KSCN溶液可检测铁离子的存在,溶液中不会出现铁离子,所以无论铁片是否被腐蚀,加入KSCN溶液后,均无红色出现,故C不符合题意; K3[Fe(CN)6]是用于检测Fe2+的试剂,若铁片没有被腐蚀,则溶液中不会生成亚铁离子,则加入K3[Fe(CN)6]溶液就不会出现蓝色沉淀,故D符合题意。
5. [2022·湖北卷] 含磷有机物应用广泛。电解法可实现由白磷直接制备Li[P(CN)2],过程如图所示(Me为甲基)。下列说法正确的是( )A.生成1 ml Li[P(CN)2],理论上外电路需要转移2 ml电子B.阴极上的电极反应为P4+8CN--4e- = 4[P(CN)2]-C.在电解过程中CN-向铂电极移动D.电解产生的H2中的氢元素来自LiOH
[解析] P4→Li[P(CN)2],P元素的化合价升高,发生氧化反应,所以石墨电极为阳极,对应的电极反应式为P4+8CN--4e- = 4[P(CN)2]-,则生成1 ml Li[P(CN)2],理论上外电路需要转移1 ml电子,A错误;阴极上得电子发生还原反应,对应的电极反应式为2HCN+2e- = H2↑+2CN-,B错误;电解过程中,CN-应该向阳极移动,即移向石墨电极,C错误;由图示可知HCN在阴极放电,产生CN-和H2,而HCN中的H来自LiOH,则电解产生的H2中的氢元素来自LiOH,D正确。
1. [2022·浙江卷] 通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2,电解示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒,但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。下列说法不正确的是( )A.电极A为阴极,发生还原反应B.电极B的电极反应:2H2O+Mn2+-2e- = MnO2+4H+C.电解一段时间后溶液中Mn2+浓度保持不变D.电解结束,可通过调节pH除去Mn2+,再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3
[解析] 电极B上Mn2+转化为MnO2,锰元素化合价升高,失电子,则电极B为阳极,电极A为阴极,阴极得电子,发生还原反应,A正确;电极B上Mn2+失电子转化为MnO2,电极反应式为2H2O+Mn2+-2e- = MnO2+4H+,B正确;
电极A为阴极,LiMn2O4得电子,电极反应式为LiMn2O4+3e-+8H+ = Li++2Mn2++4H2O,依据得失电子守恒,电解池总反应为2LiMn2O4+4H+ = 2Li++Mn2++3MnO2+2H2O,反应生成了Mn2+,电解过程中Mn2+浓度逐渐增大,C错误;通过调节溶液pH将Mn2+转化为Mn(OH)2沉淀除去,再加入Na2CO3溶液,将Li+转化为Li2CO3,D正确。
2. 利用 (Q)与 (QH2)电解转化法从烟气中分离CO2的原理如图。已知气体可选择性通过膜电极,溶液不能通过。下列说法错误的是( )A.a为电源负极B.溶液中Q的物质的量保持不变C.CO2在M极被还原D.分离出的CO2从出口2排出
[解析] 由题干信息可知,M极发生的是由 (Q)转化为 (QH2)的过程,该过程是一个还原反应,故M极为阴极,电极反应式为 +2H2O+2e- = +2OH-,故与M极相连的a电极为负极,N极为阳极,电极反应式为 -2e- = +2H+,b极为电源正极。由分析可知,a为电源负极,A项正确;
4. 沿海电厂采用海水为冷却水,但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率。为解决这一问题,通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示),通入一定的电流。下列叙述错误的是( )A.阳极发生将海水中的Cl-氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理
[解析] 电极均为惰性电极,海水中的离子放电。阳极上Cl-放电生成Cl2,Cl2在碱性海水中生成的NaClO具有灭杀附着生物的作用,A、B项正确;阴极生成的H2易燃易爆炸,应及时稀释后排放至大气中,防止爆炸,C项正确;阴极区域OH-增多或碱性增强,产生Mg(OH)2沉淀,D项错误。
5. 钴(C)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。下图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是( )A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1 ml C,Ⅰ室溶液质量理论上减少16 gC.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应:2C2++2H2O 2C+O2↑+4H+
[解析] 阳极是水放电,电极反应式为2H2O-4e- = O2↑+4H+,Ⅰ室的H+经阳离子交换膜向Ⅱ室中移动,则工作时,Ⅰ室硫酸浓度增大,Ⅱ室H+浓度增大,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均减小,A项错误。生成1 ml C,则整个电路中转移2 ml电子,Ⅰ室溶液质量理论上减少1 ml O和2 ml H,共减少18 g,B项错误。移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应是2Cl--2e- = Cl2↑,C项错误。工作时,阳极是水放电,阴极是C2+放电,其电解总反应为2C2++2H2O 2C+O2↑+4H+,D项正确。
6. 镍镉电池是二次电池,其工作原理示意图如下(L为小灯泡,K1、K2为开关,a、b为直流电源的两极)。下列说法不正确的是( )A.断开K2、合上K1,镍镉电池能量转化形式:化学能→电能B.断开K1、合上K2,电极A为阴极,发生还原反应C.电极B发生氧化反应过程中,溶液中KOH浓度不变D.镍镉二次电池的总反应式:Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2
[解析] 断开K2、合上K1,装置为原电池,能量转化形式为化学能→电能,A项正确;断开K1、合上K2,则装置为电解池,电极A与电源负极相连,故电极A为阴极,阴极发生还原反应,B项正确;
电极B发生氧化反应,应为电解池阳极发生的反应,有元素化合价升高,失去电子,电极反应式为2Ni(OH)2+2OH――2e- = 2NiOOH+2H2O,电极A为阴极,得电子,电极反应式为Cd(OH)2+2e- Cd+2OH-,总反应为Cd(OH)2+2Ni(OH)2 Cd+2NiOOH+2H2O,反应中生成水,KOH浓度降低,C项错误;镍镉二次电池的总反应式为Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2,D项正确。
考点一 电解原理及简单应用
[解析] 等物质的量的Na2SO4、AgNO3、KCl混合液中Cl-与Ag+等物质的量反应生成AgCl沉淀,溶液变为Na2SO4、KNO3混合溶液,则电解时相当于电解水,阴极和阳极析出的物质分别为H2、O2,C项正确。
1. 用惰性电极电解等物质的量的Na2SO4、AgNO3、KCl的混合液,最先从阴极和阳极上析出的物质分别是( )A.H2和Cl2 B.Ag和Cl2C.H2和O2 D.Ag和O2
2. [2024·湖北武汉华师一附中模拟] 如图中X、Y分别是直流电源的两极,通电后发现a电极质量增加,b电极处有无色无味气体放出,符合这一情况的是 ( )
[解析] 通电后发现a极质量增加,金属阳离子在a极上得电子,a极是阴极,溶液中金属元素在金属活动性顺序中处于氢元素后边;b极是阳极,b极处有无色无味气体放出,即溶液中氢氧根离子或水放电生成氧气,电极必须是惰性电极,电解质溶液中的阴离子必须是OH-或含氧酸根离子,A符合题意。
[解析] AgNO3、Cu(NO3)2、CuSO4溶液随电解的进行,有酸产生,溶液pH降低;KCl、CaCl2溶液随电解的进行,有碱产生,溶液pH升高;电解CuCl2、HCl溶液,相当于电解电解质本身,溶液中CuCl2、HCl减少,对应的H+减少,溶液的pH升高;电解KOH、HNO3、Na2SO4溶液相当于电解H2O,电解质溶液浓度增大,对应碱溶液的碱性更强,酸溶液的酸性更强,中性溶液的pH不变,B符合题意。
3. [2024·山东实验中学模拟] 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)2B.KCl、Na2SO4、CuSO4C.CaCl2、KOH、NaNO3D.HCl、HNO3、K2SO4
4. 电解原理在化学工业中有着广泛的应用。如图表示一个电解池,装有电解液a,X、Y是两块电极板,通过导线与直流电源相连。请回答下列问题:(1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,实验开始时,同时在两侧各滴加几滴酚酞溶液,则:①电解池中X极上的电极反应式为 , 在X极附近观察到的现象是 。 ②Y极上的电极反应式为 ,检验该电极反应产物的方法是 。
2H2O+2e- = 2OH-+H2↑
将湿润的淀粉-KI试纸接近Y极出气口,试纸变蓝
[解析] (1)①若X、Y是惰性电极,a是饱和NaCl溶液,X极与电源负极相连,则X极是阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- = 2OH-+H2↑,由于生成OH-,X极附近溶液呈碱性,观察到X极产生气泡,溶液变成红色。②Y极与电源的正极相连,则Y极是阳极,Cl-在阳极上发生氧化反应生成Cl2,电极反应式为2Cl--2e- = Cl2↑;利用湿润的淀粉-KI试纸检验生成的Cl2,试纸变成蓝色。
[解析] (2)①电解精炼粗铜时,纯铜作阴极,粗铜作阳极,则X极是纯铜,Cu2+在该电极上发生还原反应生成Cu,电极反应式为Cu2++2e- = Cu。②Y极是粗铜,自身失电子发生氧化反应,则电极反应式为Cu-2e- = Cu2+。
(2)若用电解法精炼粗铜,电解液a选用CuSO4溶液,则有:①X极的材料是 ,电极反应式为 。 ②Y极的材料是 ,电极反应式为 (说明:杂质发生的电极反应不必写出)。
考点二 应用电解原理进行物质制备
6. [2023·天津红桥区一模] 我国科技工作者设计了一种电解装置,能将甘油(C3H8O3)和二氧化碳转化为甘油醛(C3H6O3)和合成气(CO和H2),原理如图所示,下列说法错误的是( )A.催化电极b与电源负极相连B.电解时催化电极a附近的pH增大C.电解时阴离子透过交换膜向a极迁移D.生成合成气时电极上发生还原反应
7. 以间硝基甲苯( )为原料,采用间接成对电解合成间氨基苯甲酸( )的装置如图所示(离子交换膜只允许离子通过),下列说法中错误的是( )A.电极A应与电源的负极相连B.装置中的离子交换膜为阳离子交换膜C.每生成1 ml 同时生成1 ml Ti4+D.电解池工作时,理论上,阴极区电解质溶液pH升高
8. [2023·山东临沂二模] 己二腈[NC(CH2)4CN]是合成尼龙-66的中间体。利用丙烯腈(CH2 = CHCN)电解制备己二腈的原理如图甲所示;己二腈、丙腈(C2H5CN)的生成速率与季铵盐浓度的关系如图乙所示。
下列说法错误的是( )A.季铵盐作电解质,并有利于丙烯腈的溶解B.电解过程中稀硫酸的浓度逐渐增大C.生成己二腈的电极反应式为2CH2 = CHCN+2e-+2H+ = NC(CH2)4CND.季铵盐的浓度为1.5×10-2 ml·L-1时,电解1 h 通过质子交换膜的n(H+)为4.2×10-3 ml
[解析] 季铵盐属于盐类,能电离,作电解质,根据装置图可判断丙烯腈可溶于季铵盐溶液中,还有利于丙烯腈的溶解,A正确;阳极是水放电生成氧气,电极反应式为2H2O-4e- = 4H++O2↑,生成的氢离子通过质子交换膜进入阴极室,电解过程中阳极室溶剂减少,硫酸的物质的量不变,因此电解过程中稀硫酸的浓度逐渐增大,B正确;丙烯腈在阴极得到电子生成己二腈,生成己二腈的电极反应式为2CH2 = CHCN+2e-+2H+ = NC(CH2)4CN,C正确;
生成丙腈的电极反应式为CH2 = CHCN+2e-+2H+ = CH3CH2CN,季铵盐的浓度为1.5×10-2 ml·L-1时,己二腈和丙腈的生成速率分别为3.4×10-3 ml·h-1和0.8×10-3 ml·h-1,则每小时通过质子交换膜的氢离子的物质的量最少为3.4×10-3 ml·h-1×1 h×2+0.8×10-3 ml·h-1×1 h×2=8.4×10-3 ml,D错误。
考点三 应用电解原理进行物质转化与处理
[解析] Y电极为阳极,电极反应式为2Cl--2e- = Cl2↑,要使海水淡化,M、N之间海水中的阴离子需透过离子交换膜N进入右侧溶液,则N为阴离子交换膜,A正确;电解时,Y电极上产生的Cl2为有色气体,B正确;X电极为阴极,发生还原反应,电极反应式为2H2O+2e- = H2↑+2OH-,溶液中c(OH-)增大,海水中通过离子交换膜的阳离子Mg2+、Ca2+易产生Mg(OH)2、Ca(OH)2沉淀而使X电极区域出现浑浊,C正确,D错误。
10. [2023·辽宁鞍山一模] 处理高浓度的乙醛废水的新方法有隔膜电解法,总反应为2CH3CHO+H2O CH3CH2OH+CH3COOH(不考虑其他反应)。实验室中,以一定浓度的乙醛和H2SO4溶液为电解质溶液,模拟含乙醛的工业废水,用惰性电极进行电解,其装置如图所示,下列说法错误的是( )A.b电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- = CH3COOH+2H+B.电解一段时间后,电解池右侧pH增大C.若以CH4-空气燃料电池为直流电源,a极应该与燃料电池中通入CH4的一极相连D.理论上处理1 ml乙醛,将有1 ml H+通过质子交换膜
[解析] b电极为阳极,电极反应式为CH3CHO+H2O-2e- = CH3COOH+2H+,A正确;电解一段时间后,电解池右侧消耗水,生成弱酸CH3COOH和H+,H+通过质子交换膜移向左侧,总的结果是pH减小,B错误;若以CH4-空气燃料电池为直流电源,燃料电池的a极应该通入CH4,C正确;由阳极反应式可知,理论上阴、阳极同时处理1 ml乙醛,有2 ml电子发生转移,将有2 ml H+通过质子交换膜,则处理1 ml 乙醛,将有1 ml H+通过质子交换膜,D正确。
12. 亚硝酸盐广泛存在于各种水体中,可用电解法对其进行处理。已知通电后,左极区溶液立即变为浅绿色,随后生成无色气体。下列说法正确的是( )A.a膜为阴离子交换膜B.若用铅酸蓄电池进行电解,M应接Pb电极C.两极区产生的N2和H2物质的量之比为6∶1D.当铁电极消耗16.8 g时,理论上可以处理含5% NaNO2的污水138 g
13. 利用电解池原理可将CO2转化为燃料或者化学品。下图通过将CO2与辛胺反应耦合,实现了两电极体系中产物的高选择性合成。下列说法正确的是( )A.装置中b电极为阴极,发生还原反应B.电极a的电极反应可能为CO2+2e-+H2O = HCOO-+OH-C.中间的离子交换膜一定是质子交换膜D.电解过程中,a、b两极反应物的物质的量之比为2∶1
[解析] 利用电解池原理可将CO2转化为燃料或者化学品,反应过程中碳元素的化合价降低,得到电子,则a极为阴极,b极为阳极,辛胺转化为辛腈。装置中b电极为阳极,失去电子,发生氧化反应,A错误;电极a为阴极,电极反应可能为CO2+2e-+H2O = HCOO-+OH-,B正确;中间的离子交换膜可以是阴离子交换膜,C错误;电解过程中,a极CO2转化为燃料或者化学品,b极辛胺转化为辛腈,由于电极a的产物不确定,则反应物的物质的量之比不确定,D错误。
14. [2024·山东肥城期初调研] 支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流法进行防腐,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
考点四 金属的腐蚀与防护
[解析] 钢管桩接电源的负极,高硅铸铁接电源的正极,通电后,外电路中的电子从高硅铸铁(阳极)流向正极,从负极流向钢管桩(阴极),A、B均正确;题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”,不损耗,C错误。
15. 利用如下实验探究铁钉在不同溶液中的吸氧腐蚀。
下列说法不正确的是( )A.①与④和⑤比较说明盐溶液可以加快吸氧腐蚀速率B.②与③,④与⑤比较说明吸氧腐蚀速率可能与阴离子种类有关C.向实验⑤溶液中加入少量(NH4)2SO4固体,吸氧腐蚀速率加快D.向实验②溶液中加等体积的0.5 ml·L-1 (NH4)2SO4,吸氧腐蚀速率一定加快
[解析] NaCl和Na2SO4都是强酸强碱盐,①与④⑤比较,水中加入盐,增强了溶液的导电性,加快了吸氧腐蚀速率,A正确;②与③都是铵盐,④与⑤都是钠盐,二者所含阴离子种类不同,说明吸氧腐蚀速率可能与阴离子种类有关,B正确;
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