2021版高考化学一轮复习课时提升作业十八电解池的工作原理及应用金属的腐蚀与防护（含解析）苏教版 练习

电解池的工作原理及应用　金属的腐蚀与防护

1.厨房垃圾发酵液可通过电渗析法处理,同时得到乳酸的原理如图所示(图中HA表示乳酸分子,A-表示乳酸根离子)。下列说法正确的是 (　　)

A.通电后,阳极附近pH增大
B.电子从负极经电解质溶液回到正极
C.通电后,A-通过阴离子交换膜从阴极进入浓缩室
D.当电路中通过2 mol电子的电量时,会有1 mol的O2生成
【解析】选C。由图示判断左侧为阳极,右侧为阴极,阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O,氢离子浓度增大,pH减小,A错误;电子从电源的负极到电解池的阴极,由电解池的阳极回到电源的正极,电子不进入电解质溶液,电解质溶液中靠离子传递电荷,B错误;氢离子由阳极室进入浓缩室,A-由阴极室进入浓缩室,得到乳酸,C正确;由电极反应式4OH--4e-O2↑+2H2O可知,当电路中通过2 mol电子的电量时,会有0.5 mol O2生成,D错误。
2.四个电解装置都以Pt作电极,它们分别装着如下电解质溶液进行电解,电解一段时间后,测定其pH变化,所记录的结果正确的是 (　　)
选项
A
B
C
D
电解质溶液
HCl
AgNO3
KOH
BaCl2
pH变化
减小
增大
增大
不变
【解析】选C。电解盐酸,溶质HCl的量减小,溶剂量不变,所以酸性减弱,pH增大,A项错误;电解硝酸银溶液生成硝酸、金属银和氧气,溶液酸性增强,pH减小,B项错误;电解氢氧化钾溶液的实质是电解水,溶质的量不变,溶剂减少,碱性增强,pH增大,C项正确;电解氯化钡溶液得到氢氧化钡、氢气和氯气,溶液碱性增强,pH增大,D项错误。
【加固训练】
　　某溶液中含有两种溶质NaCl和H2SO4,它们的物质的量之比为3∶1。滴入几滴石蕊溶液后,用石墨作电极电解该混合溶液,根据电极产物,电解过程可明显分为三个阶段。下列叙述错误的是 (　　)
A.阴极自始至终只产生H2
B.电解过程中,溶液颜色呈现红色→紫色→蓝色的变化
C.电解过程中,Na+和S的物质的量浓度保持不变
D.第一阶段中阴、阳两极产生的气体混合引燃后,恰好完全反应得到HCl
【解析】选C。阴极一直是2H++2e-H2↑,A正确;随电解的进行,溶液由酸性变为中性,最终变为碱性,B正确;电解的最后阶段实质是电解水,Na+和S的浓度均变大,C错误;第一个阶段分别是H+、Cl-放电,据电子守恒知,生成的氢气和氯气物质的量相等,引燃恰好完全反应生成氯化氢,D正确。
3.据报道,中国生产的首艘国产航母“山东”号已经下水。为保护航母、延长服役寿命可采用两种电化学方法。方法1:舰体镶嵌一些金属块;方法2:航母舰体与电源相连。下列有关说法正确的是 (　　)
A.方法1叫外加电流的阴极保护法
B.方法2叫牺牲阳极的阴极保护法
C.方法1中金属块可能是锌、锡和铜
D.方法2中舰体连接电源的负极
【解析】选D。舰体是由钢板做的。方法1,舰体镶嵌一些金属块,必须是比铁活泼的金属,如锌等(锡和铜不行),这种方法叫牺牲阳极的阴极保护法;方法2,航母舰体与电源相连,必须与电源负极相连,这种方法叫外加电流的阴极保护法。
【加固训练】
　　全世界每年钢铁因锈蚀造成大量的损失。某城市拟用如图方法保护埋在酸性土壤中的钢质管道,使其免受腐蚀。关于此方法,下列说法不正确的是 (　　)

A.土壤中的钢铁易被腐蚀是因为在潮湿的土壤中形成了原电池
B.金属棒M的材料应该是比镁活泼的金属
C.金属棒M上发生反应:M-ne-Mn+
D.这种方法称为牺牲阳极的阴极保护法
【解析】选B。金属棒M只要比铁活泼即可,太活泼的金属易与水反应,B项错误。
4.(2020·湛江模拟)下面列出了电解不同物质的电极反应式,其中错误的是 (　　)
A.电解饱和食盐水,阴极:Na++e-Na
B.电解CuCl2溶液,阳极:2Cl--2e-Cl2↑
C.电解熔融NaCl,阴极:Na++e-Na
D.电解NaOH溶液,阳极:4OH--4e-2H2O+O2↑
【解析】选A。电解食盐水时,因放电能力H+>Na+,所以阴极反应为2H++2e-H2↑,故A错。
5.工业上用惰性电极电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7。下列说法错误的是 (　　)

A.右侧电极连接电源的正极
B.阴极区溶液的pH增大
C.阳极电极反应式为O2+4e-+2H2O4OH-
D.在阳极区域发生2Cr+2H+Cr2+H2O
【解析】选C。据NaOH溶液浓度变化及Na+交换膜知,左侧为阴极区,右侧为阳极区,则右侧连接电源的正极,A正确;阴极2H2O+2e-H2↑+2OH-,c(OH-)增大,pH增大,B正确;阳极4OH--4e-O2↑+2H2O,C错误;由于阳极附近的OH-不断放电,所以阳极区域呈酸性,发生2Cr+2H+Cr2+H2O,D正确。
6.(1)有学者想以如图所示装置用原电池原理将SO2转化为重要的化工原料。其负极反应式为______________________________________________________, 
当有0.25 mol SO2被吸收,则通过质子(H+)交换膜的H+的物质的量为________mol。 

(2)某小组运用工业上离子交换膜法制烧碱的原理,用如下图所示装置电解K2SO4溶液。

①该电解槽中通过阴离子交换膜的离子数________(填“>”“<”或“=”)通过阳离子交换膜的离子数。 
②图中a、b、c、d分别表示有关溶液的pH,则a、b、c、d由小到大的顺序为_______。
③电解一段时间后,B出口与C出口产生气体的质量比为___________________。 
【解析】(1)SO2在负极发生氧化反应,电极反应式为SO2+2H2O-2e-S+4H+,当有0.25 mol SO2被吸收时,转移电子的物质的量是0.5 mol,根据得失电子守恒,正极发生O2+4H++4e-2H2O,则通过质子(H+)交换膜的H+的物质的量为0.5 mol。
(2)①左边消耗2个氢氧根离子需要移动一个硫酸根离子来满足左边溶液的电荷守恒,右边消耗2个氢离子就需要移动2个钾离子来满足溶液电荷守恒,故通过阴离子交换膜的离子数小于通过阳离子交换膜的离子数。②左边接电源的正极,是阳极,在阳极上OH-放电消耗,使pH减小;右边是阴极,在阴极上氢离子放电消耗使pH增大,故b 答案:(1)SO2+2H2O-2e-S+4H+
0.5
(2)①<　②b 【加固训练】
　　(2018·丽水模拟)钢铁工业是国家工业的基础,钢铁生锈现象却随处可见,为此每年国家损失大量资金。请回答钢铁腐蚀与防护过程中的有关问题。

(1)钢铁的电化学腐蚀原理如图所示。
①写出石墨电极的电极反应式_____________________________________。 
②将该装置作简单修改即可成为钢铁电化学防护的装置,请在图中虚线框内所示位置作出修改,并用箭头标出导线中电子流动方向。
③写出修改后石墨电极的电极反应式 _________________________________
__________________________________________________________________。 
(2)生产中可用盐酸来除铁锈。现将一生锈的铁片放入盐酸中,当铁锈被除尽后,溶液中发生的化合反应的化学方程式为 _________________________________
__________________________________________________________________。 
(3)防止钢铁腐蚀可以延长钢铁制品的使用寿命。在钢铁制品表面镀铜可以有效地防止其腐蚀,电镀的装置如图所示:

①电镀装置图的“直流电源”中,________(填“a”或“b”)是正极。Fe电极反应式为___________________________________________________________。 
②接通电源前,装置图中的铜、铁两个电极质量相等,电镀完成后,将两个电极取出,用蒸馏水小心冲洗干净、烘干,然后称量,二者质量之差为5.12 g,由此计算电镀过程中电路中通过电子的物质的量为________。 
③上述铁镀件破损后,铁更容易被腐蚀。请简要说明镀铜铁镀件破损后,铁更容易被腐蚀的原因: ___________________________________________________
____________________,由此可推知镀________(填一种金属)铁镀件在破损时铁不易被腐蚀。 
【解析】(1)在中性溶液中发生吸氧腐蚀,将虚线框中改为直流电源,这属于外加电流的阴极保护法,外加电源后石墨电极为阳极,氯离子失电子生成氯气。
(2)铁锈的主要成分为氧化铁的水合物,与盐酸反应后生成了三价铁离子,而后铁与三价铁离子会化合生成亚铁离子。
(3)铁上镀铜,则铜为阳极,铁为阴极,故a为正极;Fe极上电极反应式为Cu2++2e-Cu;阳极溶解的铜等于阴极上析出的铜,故阳极溶解的铜为2.56 g,即0.04 mol,故电镀过程中电路中通过电子的物质的量为0.08 mol;镀件破损时,镀层金属与镀件金属在周围环境中形成原电池,活泼性强的金属更容易被腐蚀。
答案:(1)①O2+4e-+2H2O4OH-
②如图所示
③2Cl--2e-Cl2↑
(2)2FeCl3+Fe3FeCl2
(3)①a　Cu2++2e-Cu　②0.08 mol
③铁比铜活泼,铁与铜构成原电池的两个电极,铁作负极,更易被腐蚀　锌

1.(2020·沧州模拟)以铅蓄电池为电源,通过电解法制备酒石酸(C4H6O6,简写为RH2)的原理如图所示(A、B为惰性电极,a、b为离子交换膜)。下列叙述不正确的是 (　　)

A.N极的电极反应式为PbO2+2e-+S+4H+PbSO4+2H2O
B.b为阴离子交换膜
C.阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阴极区溶液pH升高
D.铅蓄电池中消耗2 mol H2SO4时,理论上生成2 mol RH2
【解析】选D。电解目的是制备RH2,则装置右侧为产品室,若原料室中的R2-通过阴离子交换膜进入产品室与H+结合,则可制得RH2。所以B极应为H2O电离出的OH-放电,生成H+,即B极为阳极,电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,b为阴离子交换膜,N为正极,M为负极,A为阴极。N为铅蓄电池正极,电极反应为PbO2+2e-+S+4H+PbSO4+2H2O,故A项正确;根据上述分析可知,b为阴离子交换膜,故B项正确;阴极应为H2O电离出的H+放电,生成OH-,故电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,OH-浓度增大,pH增大,故C项正确;铅蓄电池放电时总反应为Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O,当电池中消耗2 mol H2SO4时,则电路中转移
2 mol e-。根据B极电极反应2H2O-4e-O2↑+4H+可知,转移2 mol e-,产品室有2 mol H+生成,R2-+2H+RH2,所以理论上可生成1 mol RH2,故D项错误。
2.如图甲是一种利用微生物将废水中的尿素(H2NCONH2)的化学能直接转化为电能,并生成环境友好物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜,下列说法中正确的是 (　　)


A.乙装置中溶液颜色会变浅
B.铁电极应与Y相连接
C.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+
D.当N电极消耗0.25 mol 气体时,铜电极质量减少16 g
【解析】选C。乙装置为电镀装置,电镀液的浓度不变,因此溶液颜色不变,A项错误;电镀时,待镀金属作阴极,与电源负极相连,而N电极上O2转化为H2O发生还原反应,N电极为正极,B项错误;M电极为负极,发生氧化反应:H2NCONH2+H2O-
6e-CO2↑+N2↑+6H+,C项正确;根据N电极反应式:O2+4H++4e-2H2O,铜电极反应式:Cu-2e-Cu2+,由各电极上转移电子数相等,可得关系式:O2～2Cu,则N电极消耗0.25 mol O2时,铜电极质量减少0.25 mol ×2×64 g·mol-1=32 g,D项错误。
3.(2020·梅州模拟)现用Pt电极电解1 L浓度均为0.1 mol·L-1的HCl、CuSO4的混合溶液,装置如图,下列说法正确的是 (　　)


A.电解开始时阴极有H2放出
B.电解开始时阳极上发生:Cu2++2e-Cu
C.当电路中通过电子的量超过0.1 mol时,阴极放电的离子发生了变化
D.整个电解过程中,S不参与电极反应
【解析】选D。依据放电顺序阴极先放电的是Cu2+,故阴极开始析出的是Cu,阳极先放电的是Cl-,故阳极开始产生的是Cl2,A、B错;由阴极反应Cu2++2e-Cu,n(Cu2+)=0.1 mol,当电路中通过电子的量达到0.2 mol时,Cu2+消耗完毕,阴极放电离子变为H+,C错;阳极先是Cl-放电,当Cl-消耗完毕。此时H2O电离产生的OH-开始在阳极放电,S不参与电极反应。
4.世界水产养殖协会网介绍了一种利用电化学原理净化鱼池中水质的方法,其装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)


A.X为电源负极
B.若该装置在高温下进行,则净化效率将降低
C.若有1 mol N被还原,则有6 mol H+通过质子膜迁移至阴极区
D.若BOD为葡萄糖(C6H12O6),则1 mol葡萄糖被完全氧化时,理论上电极流出
20 mol e-
【解析】选B。从装置图中可知,X端连接的电极上发生反应是微生物作用下BOD、H2O反应生成CO2,Y端连接的电极上,微生物作用下,硝酸根离子生成了氮气,氮元素化合价降低,发生还原反应,为电解池的阴极,则Y为负极,X为正极。A.Y端连接的电极上,微生物作用下,硝酸根离子生成了氮气,氮元素化合价降低,发生还原反应,为电解池的阴极,则Y为负极,X为正极,故A错误;B.若该装置在高温下进行,催化剂微生物被灭活,则净化效率将降低,故B正确;C.若有1 mol N被还原,根据阴极电极反应式:2N+10e-+12H+N2↑+6H2O,可知转移电子5 mol,则有5 mol H+通过质子膜迁移至阴板区,故C错误;D.若BOD为葡萄糖(C6H12O6),则1 mol葡萄糖被完全氧化时,碳元素化合价由0价变化为+4价,理论上电极上流出=4e-×6=24 mol e-,故D错误。
5.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,由N→NCl3,根据元素化合价变化知,N中N由-3价升高至+3价,每生成1 mol NCl3,理论上有6 mol H+由质子交换膜右侧向左侧(阴极区)迁移,错误。B项,M是氢气,不能用湿润的淀粉-KI试纸检验,错误。D项,电解过程中,质子交换膜右侧溶液中c(H+)减小,溶液pH增大,错误。
6.海洋是一座巨大的宝藏,海水中蕴含 80多种元素,氯碱工业和制备金属镁的原料都可来自海水。


Ⅰ.在氯碱工业中,曾用石棉隔膜电解槽来电解食盐水(如图甲所示)。
(1)写出阳极的反应式:___________________。 
(2)图甲中流出的b是__________溶液。 
(3)石棉隔膜的作用是_____________________________________。 
Ⅱ.随着科技的发展,电解工艺不断革新,电解效率和产品纯度得到提高。20世纪80年代起,隔膜法电解工艺逐渐被离子交换膜电解技术取代。
(1)离子交换膜电解槽(如图乙所示)中⑥、⑦分别是________、________。 
(2)已知一个电子的电量是1.602×10-19C,用离子膜电解槽电解饱和食盐水,当电路中通过1.929×105 C的电量时,生成NaOH________g。 
【解析】Ⅰ.(1)阳极上氯离子放电生成氯气,电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑。
(2)阴极上氢离子放电,导致阴极附近生成NaOH,溶液中还有部分氯化钠,所以流出的b是NaOH和NaCl的混合溶液。
(3)Cl2和NaOH溶液接触会发生反应:2NaOH+Cl2NaClO+NaCl+H2O,石棉隔膜的作用是阻止Cl2与NaOH溶液反应。
Ⅱ.(1)电解饱和食盐水,电解槽中离子交换膜允许阳离子通过,不允许阴离子通过;阴极是氢离子放电生成氢气,同时生成氢氧化钠,所以⑥为氢氧化钠溶液,⑦为Na+。(2)一个电子的电量是1.602×10-19C,当电路中通过 1.929×105 C的电量时,电子的个数为1.204×1024,电子的物质的量为2 mol,根据转移电子和氢氧化钠的关系式得NaOH的质量为2 mol×40 g·mol-1=80 g。
答案:Ⅰ.(1)2Cl--2e-Cl2↑
(2)NaOH和NaCl
(3)阻止Cl2与NaOH溶液反应
Ⅱ.(1)NaOH溶液　Na+　(2)80
【加固训练】
　　电化学原理在防止金属腐蚀、能量转换、物质合成等方面应用广泛。
(1)图1中,为了减缓海水对钢闸门A的腐蚀,材料B可以选择________(填字母序号)。 
a.碳棒　　　　b.锌板　　　　c.铜板
用电化学原理解释材料B需定期拆换的原因:_____________________________。

(2)图2中,钢闸门C作________极。用氯化钠溶液模拟海水进行实验,D为石墨块,则D上的电极反应式为_ _________________________________________
______________________________________,
检测该电极反应产物的方法是 ________________________________________
________________________________________________________________。 
(3)镁燃料电池在可移动电子设备电源和备用电源等方面应用前景广阔。图3为“镁-次氯酸盐”燃料电池原理示意图,电极为镁合金和铂合金。

①E电极为该燃料电池的________极(填“正”或“负”)。F电极上的电极反应式为_ ______________________________________________________________
______________________________________________________________。 
②镁燃料电池负极容易发生自腐蚀产生氢气,使负极利用率降低,用化学方程式解释其原因 ________________________________________________________
__________________________________________________________________。 
【解析】(1)形成原电池时,Fe作正极被保护,则要选择活泼性比Fe强的金属作负极,所以选锌;锌的活泼性比Fe强,作负极,不断遭受腐蚀,需定期拆换。
(2)Fe作阴极被保护,则钢闸门C作阴极;电解氯化钠溶液时阳极上氯离子失电子生成氯气,其电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑,检验氯气用湿润的淀粉碘化钾试纸。
(3)①“镁-次氯酸盐”燃料电池中失电子的为负极,则Mg为负极;正极上ClO-得电子生成氯离子,则正极的电极反应式为ClO-+2e-+H2OCl-+2OH-;②Mg的活泼性较强能与水反应生成氢气,其反应为Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑。
答案:(1)b　锌作原电池的负极(失电子:Zn-2e-Zn2+),不断遭受腐蚀,需定期拆换
(2)阴　2Cl--2e-Cl2↑　将湿润的淀粉碘化钾试纸放在阳极附近,试纸变蓝,证明生成氯气
(3)①负　ClO-+2e-+H2OCl-+2OH-
②Mg+2H2OMg(OH)2+H2↑