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2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第3讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护学案
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这是一份2022高考化学专题复习 专题六 化学反应与能量 第3讲 电解池 金属的电化学腐蚀与防护学案，共32页。学案主要包含了电解原理及规律，电解原理的应用，金属的腐蚀与防护等内容，欢迎下载使用。
一、电解原理及规律
1.电解原理
(1)电解:在① 电流 作用下,电解质在两个电极上分别发生② 氧化反应 和③ 还原反应 的过程。
(2)电解池:将④ 电能 转化为⑤ 化学能 的装置。
(3)电解池的构成
a.有与⑥ 电源 相连的两个电极;
b.⑦ 电解质溶液 (或⑧ 熔融电解质 );
c.形成⑨ 闭合回路 。
(4)电解池工作原理示意图
2.阴、阳极的判断及电极反应式的书写
(1)判断电解池的阴、阳极
a.根据外接电源的正、负极判断:电源正极连接 阳极 ,电源负极连接 阴极 。
b.根据电极产物判断:电极溶解、逸出O2(或电极区变酸性)或逸出Cl2的为 阳极 ;析出金属、逸出H2(或电极区变碱性)的为 阴极 。
(2)电极反应式的书写步骤
a.分析电解质溶液(或熔融电解质)的组成:找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
b.排出阴、阳两极的放电顺序
[注意] ⅰ.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。ⅱ.最常用、最重要的放电顺序为阳极:Cl->OH-;阴极:Ag+>Cu2+>H+。ⅲ.电解水溶液时,K+、Ca2+、Na+、Mg2+、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。
(3)写出两极电极反应式
a.阳极:活性电极 失去 电子生成相应的金属阳离子;溶液中的阴离子 失去 电子生成相应的单质或高价态化合物。
b.阴极:溶液中的阳离子 得到 电子生成相应的单质或低价态化合物。
(4)写出电解总反应式
在两极转移电子数目相同的前提下,两极反应式相加即可得总反应的化学方程式或离子方程式。
3.以惰性电极电解电解质溶液的规律
二、电解原理的应用
1.氯碱工业
总反应方程式: 2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑ 。
2.电镀
镀层金属作 阳 极,待镀元件作 阴 极,电解质溶液中含有 镀层金属离子 。
如铁上镀锌:
3.电解精炼铜
4.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。
三、金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变成 金属阳离子 ,金属发生氧化反应。
2.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁的腐蚀为例)
3.金属的保护
1.易错易混辨析(正确的画“√”,错误的画“✕”)。
(1)电解池的阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应( )
(2)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 ( )
(3)Fe3+在电解池阴极放电时的电极反应式为Fe3++3e-Fe( )
(4)用惰性电极电解饱和食盐水,溶液的pH不变( )
(5)用铜作电极电解CuSO4溶液的离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+( )
(6)可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀( )
(7)电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极( )
(8)与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀( )
(9)钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀( )
(10)用如下图所示装置电解精炼铝( )
答案 (1)√ (2)✕ (3)✕ (4)✕ (5)✕ (6)✕ (7)✕ (8)✕ (9)✕ (10)✕
2.写出下列相关的电极反应式和总反应方程式。
答案 (1)2H2O-4e-O2↑+4H+ 4Ag++4e-4Ag
4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-Cl2↑ 2H++2e-H2↑ Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)Cu-2e-Cu2+ 2H2O+2e-2OH-+H2↑ Cu+2H2OCu(OH)2↓+H2↑
(4)2H2O-4e-O2↑+4H+ 4H++4e-2H2↑ 2H2O2H2↑+O2↑
3.如图所示,甲、乙两试管中各放一枚铁钉,甲试管中为NH4Cl溶液,乙试管中为NaCl溶液,数天后导管中观察到的现象是 ,甲中正极反应为 ,乙中正极反应为 。试管中残留气体平均相对分子质量的变化为甲 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),乙 。
答案 红墨水液面左低右高 2H++2e-H2↑ 2H2O+O2+4e-4OH- 减小 减小
考点一 电解原理及规律
◆典例探究
例1 下图装置(Ⅰ)是一种可充电电池,装置(Ⅱ)为电解池。装置(Ⅰ)的离子交换膜只允许Na+通过,已知电池充、放电的化学方程式为2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr,当闭合开关K时,电极X附近溶液变红。
下列说法正确的是( )
A.闭合开关K时,Na+从右到左通过离子交换膜
B.闭合开关K时,负极反应式为3NaBr-2e-NaBr3+2Na+
C.闭合开关K时,当有0.1mlNa+通过离子交换膜时,X电极上放出标准状况下气体1.12L
D.闭合开关K时,电极X的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑
答案 C 当闭合开关K时,电极X附近溶液变红,即X附近有氢氧根离子生成,所以电极X得电子析出氢气,电极X是阴极,电极Y是阳极。闭合开关K时,装置(Ⅰ)左边与阴极相连,是负极,右边是正极,原电池中,阳离子移向正极,所以钠离子从左到右通过离子交换膜,故A项错误;闭合开关K时,负极上失电子发生氧化反应,电极反应式为2Na2S2-2e-Na2S4+2Na+,故B项错误;闭合开关K时,当有0.1ml钠离子通过离子交换膜,即有0.1ml电子产生,根据氢气与电子的关系式知,生成的氢气体积为1.12L(标准状况下),故C项正确;闭合开关K时,电极X是阴极,溶液中的氢离子放电生成氢气,所以电极反应式为2H++2e-H2↑,故D项错误。
名师点拨
电极方程式的书写技巧——四步法
第一步:明确电极反应物和生成物,利用原子守恒写出反应物和生成物的关系式;
第二步:依化合价变化,写出得失电子总数;
第三步:根据电解质情况补充阴、阳离子,使式子两边电荷相等;
第四步:由原子守恒,用观察法彻底配平。
例2 (2020湖北黄冈月考)用惰性电极电解NaCl和CuSO4的混合液250mL,经过一段时间后,两极均得到11.2L气体(标准状况),则下列有关叙述中正确的是( )
A.阳极只可能发生电极反应:4OH--4e-2H2O+O2↑
B.两极得到的气体均为混合气体
C.若Cu2+的起始浓度为1ml·L-1,则Cl-的起始浓度为2ml·L-1
D.Cu2+的起始物质的量应大于0.5ml
答案 C 根据阴、阳离子的放电顺序可知,阳极先发生反应2Cl--2e-Cl2↑,然后发生反应4OH--4e-2H2O+O2↑,A错误;阴极先发生反应Cu2++2e-Cu,然后发生反应2H++2e-H2↑,故阴极得到的气体只有H2,B错误;两极均得到标准状况下11.2L气体,则n(H2)=
0.5ml,结合B项分析可知,阴极得到电子0.5ml×2+1ml·L-1×0.25L×2=1.5ml,若阳极只有Cl2生成,则失去电子0.5ml×2=1ml,不符合得失电子守恒,故还有O2生成,根据得失电子守恒及气体总物质的量可得:n(Cl2)×2+n(O2)×4=1.5ml,n(Cl2)+n(O2)=0.5ml,故n(Cl2)=n(O2)=0.25ml,所以Cl-的起始浓度为2ml·L-1,C正确;由C项分析可知,Cu2+完全反应,Cu2+的起始物质的量可以为0.25ml,小于0.5ml,D错误。
名师点拨
电化学计算的基本方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液的pH计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等,通常有下列几种方法:
常见微粒间的计算关系式为4e-~4H+~4OH-~4Cl-~4Ag+~2Cu2+~2H2~O2~2Cl2~4Ag~2Cu。
特别提醒 在电化学计算中,还常利用Q=I×t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。
◆题组训练
题组一 电解原理和电解规律
1.用电解水的方法分析水的组成时,需要加入一些电解质以增强水的导电性,不宜加入的物质是( )
A.Na2SO4 B.H2SO4 C.KOH D.NaCl
答案 D 加入NaCl,电解NaCl溶液时阴极生成H2,阳极产生氯气,D项符合题意。
2.(2020浙江台州月考)下图是用石墨作电极电解稀Na2SO4溶液的装置,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴紫色石蕊溶液。下列有关叙述正确的是( )
A.逸出气体的体积,电极B是电极A的2倍
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出具有刺激性气味气体
C.电极A附近呈红色,电极B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
答案 D 电极A和B的反应式分别为4H2O+4e-2H2↑+4OH-、2H2O-4e-O2↑+4H+,相同温度和压强下,电极A生成气体体积是电极B的2倍,A项错误;阳极上生成O2,阴极上生成H2,O2和H2都是无色、无味气体,B项错误;由电极反应式知,电极A附近溶液呈碱性,电极B附近溶液呈酸性,则电极A附近溶液呈蓝色,电极B附近溶液呈红色,C项错误;用惰性电极电解稀Na2SO4溶液,实质是电解水,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性,D项正确。
题组二 电极反应式的书写及正误判断
3.(2020广州黄埔月考)用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:Cl-+2OH--2e-ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
答案 D 石墨作阳极,为惰性电极,溶液中的Cl-放电,电极反应式:Cl-+2OH-+2e-ClO-+H2O,铁作阴极,在碱性环境下发生反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,故A、B、C正确;pH为9~10的碱性溶液中H+不可能参加反应,除去CN-的反应为2CN-+5ClO-+H2ON2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-,故D错误。
4.(2020江西宜春月考)在微电子工作中NF3常用作氮化硅的蚀刻剂,工业上通过电解含NH4F等的无水熔融物生产NF3,其电解原理如图所示。
a电极为电解池的 (填“阴”或“阳”)极,写出该电极的电极反应式: ;电解过程中还会生成少量氧化性极强的气体单质,该气体的分子式是 。
答案 阳 NH4++3F--6e-NF3+4H+ F2
解析 由题图可知,H+在b电极上得到电子生成氢气,故b为阴极,则a为阳极,阳极上NH4+失去电子生成NF3,电极反应式为NH4++3F--6e-NF3+4H+;依据电解原理可知,F-也可能失去电子生成氟单质,故该气体单质为氟气。
题组三 有关电解的计算
5.(2020山西太原月考)将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3ml·L-1 B.2×10-3ml·L-1
C.1×10-3ml·L-1 D.1×10-7ml·L-1
答案 A 根据2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑,得n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2×0.064g64g·ml-1=0.002ml,c(H+)=×10-3ml·L-1,A项正确。
6.用惰性电极电解100mL4ml·L-1Cu(NO3)2溶液,一定时间后在阳极收集到标准状况下气体1.12L。停止电解,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,充分作用后溶液中Fe2+的浓度为(设溶液的体积不变)( )
·L-1 B.3ml·L-1
C.4ml·L-1 ·L-1
答案 D 本题涉及的反应过程可分为两个阶段,第一阶段是电解Cu(NO3)2溶液,第二阶段是硝酸、硝酸铜的混合溶液与足量的铁粉反应。电解后溶液中硝酸和硝酸铜的物质的量分别为0.2ml、0.3ml,前者与足量的铁粉反应生成0.075ml硝酸亚铁,后者与足量的铁粉反应生成0.3ml硝酸亚铁,故充分作用后溶液中Fe2+的浓度为0.075ml+·L-1。
考点二 电解原理的应用
◆典例探究
例 某同学组装了如图所示的电化学装置。电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,则( )
A.电极Ⅰ发生还原反应
B.电极Ⅱ逐渐溶解
C.电流方向:电极Ⅳ电极Ⅰ
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
答案 C 根据题图可判断左边两池通过盐桥构成原电池,电极Ⅰ为负极,电极Ⅱ为正极,与负极相连的电极Ⅳ为电解池的阴极,与正极相连的电极Ⅲ为电解池的阳极。电极Ⅰ为负极,失去电子,发生氧化反应,故A错误;电极Ⅱ为正极,电解质溶液中的铜离子在正极得到电子生成铜单质,电极Ⅱ有铜析出,故B错误;电极Ⅰ为负极,电极Ⅳ为电解池的阴极,所以电流方向:电极Ⅳ电极Ⅰ,故C正确;电极Ⅲ为阳极,电极反应为Cu-2e-Cu2+,故D错误。
名师点拨
多池串联装置常见类型
类型1:图甲,无外接电源,二者必有一个装置是原电池(相当于发电装置),为电解装置提供电能,其中两个电极活动性差异大者为原电池,即左侧为原电池,右侧为电解池。
类型2:图乙,有外接电源,两装置均为电解池,且串联电解,通过电路的电子的物质的量相等。
◆题组训练
题组一 电解原理的常规应用
1.(2020湖南岳阳月考)利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。下列说法正确的是( )
A.氯碱工业中,X电极上的反应式是4OH--4e-2H2O+O2↑
B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变
C.在铁片上镀铜时,Y是铁片
D.制取金属镁时,Z是氯化镁溶液
答案 C 氯碱工业中阳极是Cl-放电生成Cl2,A项错误;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极Cu2+放电析出Cu,但是粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,使得溶液中Cu2+浓度变小,B项错误;铁片上镀铜时,阴极是铁片,阳极是纯铜,C项正确;制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁,D项错误。
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,下列叙述正确的是(已知:氧化性:Fe2+A.阳极发生还原反应,其电极反应式为Ni2++2e-Ni
B.电解过程中,阳极质量的减少量与阴极质量的增加量一定相等
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只有Fe2+和Zn2+
答案 C A项,电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属的还原性顺序:Zn>Fe>Ni>Cu>Pt,发生氧化反应时,电极反应依次为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,错误;B项,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,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一定相等,错误;C项,Cu和Pt的还原性比Ni的弱,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,正确;D项,电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,错误。
题组二 电解原理的创新应用——带膜的电解池
3.以纯碱溶液为原料,通过电解的方法可制备小苏打,原理装置图如下:
装置工作时,下列有关说法正确的是( )
A.乙池电极接电池正极,气体X为H2
B.Na+由乙池穿过交换膜进入甲池
C.NaOH溶液Z比NaOH溶液Y浓度大
D.甲池电极反应:4CO32--4e-+2H2O4HCO3-+O2↑
答案 D 由题图可知,放出氧气的电极为阳极,则乙池电极为电解池阴极,和电源负极连接,溶液中氢离子放电生成氢气,A项错误;电解池中阳离子移向阴极,钠离子移向乙池,B项错误;阴极附近氢离子放电破坏了水的电离平衡,电极附近氢氧根离子浓度增大,NaOH溶液Y比NaOH溶液Z浓度大,C项错误;电解质溶液中氢氧根离子放电生成氧气,氢离子浓度增大,碳酸根离子结合氢离子生成碳酸氢根离子,出口为碳酸氢钠溶液,则电极反应为4CO32-+2H2O-4e-4HCO3-+
O2↑,D项正确。
4.(2020山东德州月考)电解法制备磷酸二氢钾(KH2PO4)的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.与a电极相连接的电源电势比b电极的高
B.离子交换膜x、y分别为阳离子、阴离子交换膜
C.电解时,理论上相同时间内通过交换膜的阴、阳离子数相等
D.当外电路中通过1ml电子时,会有11.2L的Cl2生成
答案 C 根据题图可知a电极为电解池的阴极,b电极为电解池的阳极,与b电极相连接的电源电势比a电极的高,故A错误;离子交换膜x为阴离子交换膜,离子交换膜y为阳离子交换膜,故B错误;中和室生成KH2PO4,K+、H2PO4-的个数比为1∶1,故C正确;电路中通过1ml电子时,会生成0.5mlCl2,未给出气体的状态条件,无法计算其体积,故D错误。
题组三 电化学中的“多池组合”装置分析
5.(2020山西忻州月考)如图,甲池的总反应为2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O。下列说法不正确的是( )
A.甲池中每消耗2mlCH3OH,电解液中通过12ml电子
B.反应一段时间后,向乙池中加入一定量的CuO固体能使CuSO4溶液恢复原浓度
C.反应一段时间后,丙池中会产生白色沉淀且不会溶解
D.反应一段时间后,甲、乙两池pH均减小
答案 A 甲池CH3OH中C元素由-2价升高为+4价,故每消耗2mlCH3OH,电路中通过2ml×[+4-(-2)]=12ml电子,但电子不通过电解液溶液,A项错误;甲池中投放甲醇的电极是负极,投放氧气的电极是正极,所以乙池中石墨是阳极,银电极是阴极,电解时,石墨极上析出氧气,银极上析出铜,所以要使CuSO4溶液恢复到原浓度可加入一定量的CuO固体,B项正确;丙池中两电极发生的反应分别为2Cl--2e-Cl2↑、2H2O+2e-H2↑+2OH-,然后Mg2+和阴极的产物发生反应Mg2++2OH-Mg(OH)2↓,Mg(OH)2不溶解,C项正确;根据甲、乙两池的总反应式2CH3OH+3O2+4OH-2CO32-+6H2O和2CuSO4+2H2O2Cu+O2+2H2SO4可知,反应一段时间后,甲、乙两池pH均减小,D项正确。
6.利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.b电极反应式是O2+4e-+2H2O4OH-
B.电解后乙装置中d电极附近溶液的pH不变
C.c电极反应式为N2O4-2e-+H2ON2O5+2H+
D.甲装置中每消耗1mlSO2,乙装置中有1mlH+通过隔膜
答案 B A项,甲装置为原电池,其中a电极为负极,b电极为正极,正极电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,错误;B项,乙装置是电解池,均采用了惰性电极,d电极为阴极,电极反应式为2H++2e-H2↑,虽然消耗了H+,但同时有等量的H+从阳极区迁移过来,故溶液的pH不变,正确;C项,c电极为阳极,发生氧化反应:N2O4-2e-+2HNO32N2O5+2H+,错误;D项,甲装置中消耗1mlSO2转移2ml电子,根据得失电子守恒可知,乙装置中有2mlH+通过隔膜,错误。
考点三 金属的腐蚀与防护
◆典例探究
例 利用如图装置探究铁在海水中的电化学防护,下列说法不正确的是( )
A.若X为锌棒,开关K置于M处,可减缓铁的腐蚀
B.若X为锌棒,开关K置于M处,铁电极发生反应:Fe-2e-Fe2+
C.若X为碳棒,开关K置于N处,可减缓铁的腐蚀
D.若X为碳棒,开关K置于N处,铁电极发生反应:2H++2e-H2↑
答案 B 若X为锌棒,开关K置于M处,形成原电池,此时金属锌为负极,金属铁为正极,氧气在铁电极上发生还原反应,金属铁被保护,可减缓铁的腐蚀,故A正确、B错误;若X为碳棒,开关K置于N处,形成电解池,此时金属铁为阴极,H+在铁电极上发生还原反应,金属铁被保护,可减缓铁的腐蚀,故C、D正确。
名师点拨
1.判断金属腐蚀快慢的一般规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率: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:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。
(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快。
2.两种保护方法的比较
外加电流的阴极保护法比牺牲阳极的阴极保护法保护效果好。
◆题组训练
题组一 金属的电化学腐蚀
1.(2020江西南昌检测)如图各容器中盛有海水,铁在其中腐蚀时的顺序是( )
A.(4)>(2)>(1)>(3) B.(2)>(1)>(3)>(4)
C.(4)>(2)>(3)>(1) D.(3)>(2)>(4)>(1)
答案 B 金属腐蚀速率:金属作阳极的电解池>作负极的原电池>化学腐蚀>作正极的原电池>作阴极的电解池,因此顺序是(2)>(1)>(3)>(4),故B项正确。
2.下列与金属腐蚀有关的说法,正确的是( )
A.图甲中,铁钉易被腐蚀
B.图乙中,滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,没有蓝色沉淀出现
C.图丙中,燃气灶的中心部位容易生锈,主要是由于高温下铁发生化学腐蚀
D.图丁中,用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
答案 C 题图甲中,铁钉处于干燥环境,不易被腐蚀,A项错误;题图乙中,负极反应为Fe-2e-Fe2+,Fe2+与[Fe(CN)6]3-反应生成Fe3[Fe(CN)6]2蓝色沉淀,B项错误;题图丁中,为牺牲阳极的阴极保护法,镁块相当于原电池的负极,D项错误。
题组二 金属的保护
3.(2020山西太原模拟改编)深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根离子腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.铁管道发生的是吸氧腐蚀
B.输送暖气的管道也易发生此类腐蚀
C.这种情况下,土壤的pH增大
D.管道上刷富铜油漆可以延缓管道的腐蚀
答案 C 由题图可知,负极反应为Fe-2e-Fe2+,正极反应为SO42-+5H2O+8e-HS-+9OH-。铁管道的腐蚀过程中,氧气并未参与反应,所以不是吸氧腐蚀,故A项错误;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化效率,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B项错误;由正、负极的电极反应可知,铁管道腐蚀过程中,OH-浓度增大,土壤pH增大,故C项正确;管道上刷富铜油漆,形成Cu-Fe原电池,Fe作负极,加快管道的腐蚀,故D项错误。
4.(2020河北邯郸模拟)据报道,中国的国产航母已经下水。为保护航母、延长其服役寿命可采用两种电化学防腐方法。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、锡或铜
D.方法2中舰体连接电源的负极
答案 D 方法1:舰体镶嵌一些比铁活泼性强的金属块,形成原电池,舰体作原电池的正极而受到保护,这种方法叫牺牲阳极的阴极保护法,A、C两项错误;方法2:航母舰体与外加直流电源的负极相连,形成电解池,舰体作电解池的阴极而受到保护,这种方法叫外加电流的阴极保护法,B项错误、D项正确。
1.(2020课标Ⅱ,12,6分)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色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
答案 C 本题重点考查电解原理及其应用。根据题给装置图可知,该装置有外接电源,为电解池,且Ag电极作阳极,故A项正确;通电时,阳极反应式为Ag-e-Ag+,生成的Ag+通过固体电解质进入电致变色层,与WO3结合得到AgxWO3,W的化合价降低,阴极反应式为WO3+xe-WO3x-,总反应为xAg+WO3AgxWO3,故B、D项正确,C项错误。
2.(2020山东,13,4分)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下图所示。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
答案 D 根据题给电解装置图可知,电解池右侧O2参加反应生成H2O2,a极为阳极,b极为阴极。电解时,阳极的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的电极反应式为4H++2O2+4e-2H2O2,A正确;根据电极反应式及得失电子守恒可知,阳极生成的H+通过质子交换膜进入阴极区最终转化为H2O2,阳极区H+的物质的量浓度不发生变化,pH不变,B、C正确;设电解时转移电子为4ml,则阳极生成1mlO2,阴极消耗2mlO2,D错误。
3.(2018课标Ⅰ,13,6分)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下图所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:
①EDTA-Fe2+-e-EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
答案 C 由石墨烯电极区反应①可知该极发生氧化反应,为阳极,则ZnO@石墨烯为阴极。阴极的电极反应为CO2+2H++2e-CO+H2O,A正确;装置工作时涉及三个反应,Fe2+与Fe3+的转化循环进行,总反应为CO2与H2S之间的反应,根据得失电子守恒可知总反应为CO2+H2SCO+H2O+S,B正确;石墨烯与电源正极相连,ZnO@石墨烯与电源负极相连,故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高,C错误;Fe2+、Fe3+均在酸性环境中稳定存在,D正确。
4.(2020课标Ⅱ,26节选)化学工业为疫情防控提供了强有力的物质支撑。氯的许多化合物既是重要化工原料,又是高效、广谱的灭菌消毒剂。回答下列问题:
(1)氯气是制备系列含氯化合物的主要原料,可采用如图所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许 离子通过,氯气的逸出口是 (填标号)。
答案 (1)Na+ a
解析 (1)阳极发生氧化反应:2Cl--2e-Cl2↑,Cl2从a口逸出;阳极室排出淡盐水,故Na+透过离子膜进入阴极室。
5.(2020北京,15节选)H2O2是一种重要的化学品,其合成方法不断发展。
(2)电化学制备方法
已知反应2H2O22H2O+O2↑能自发进行,反向不能自发进行,通过电解可以实现由H2O和O2为原料制备H2O2。下图为制备装置示意图。
①a极的电极反应式是 。
②下列说法正确的是 。
A.该装置可以实现电能转化为化学能
B.电极b连接电源负极
C.该方法相较于早期制备方法具有原料廉价,对环境友好等优点
答案 (2)①O2+2H++2e-H2O2 ②AC
解析 (2)a极O2得电子生成H2O2,发生还原反应,为阴极;b极H2O失电子生成O2和H+,发生氧化反应,为阳极;电极b连接电源正极。
6.(2019课标Ⅲ,28节选)(4)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1ml电子,需消耗氧气 L(标准状况)。
答案 (4)Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 5.6
解析 负极区发生的是得电子的还原反应,故负极区的反应有Fe3++e-Fe2+、4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O;根据得失电子守恒得出关系式:
Fe3+~e-~Fe2+~14O2
1ml 0.25ml
n(O2)=0.25ml,标准状况下体积为5.6L。
A组 基础达标
1.我国科技创新成果斐然,下列成果与电化学无关的是( )
答案 A A项,由题图可知,利用有机金属材料吸附与转化CO2,与电化学无关;B、C、D项均与电化学有关。
2.(2020内蒙古赤峰月考)在水中加等物质的量的Ag+、Ba2+、Na+、SO42-、NO3-、Cl-,将该溶液放在用惰性材料作电极的电解槽中,通电片刻,则氧化产物与还原产物的质量比为( )
A.35.5∶108 B.16∶207
C.108∶35.5 D.8∶1
答案 D 等物质的量的Ag+与Cl-、Ba2+与SO42-恰好完全反应生成沉淀,电解液为硝酸钠溶液,电解方程式为2H2O2H2↑+O2↑,当转移相同电子时,阳极产物与阴极产物质量比为32∶(2×2)=8∶1,答案为D。
3.(2020江西抚州周测)电解下列哪种溶液后,只需要加入适量的水就能使溶液复原( )
A.AgNO3 B.NaCl C.NaOH D.CuSO4
答案 C C选项中的NaOH溶液电解时,电解的实质就是电解水,其他选项中溶液电解时,溶质中的离子都会参与放电,因此答案选C。
4.(2020安徽淮南月考)如图所示装置,以石墨为电极电解氯化铜溶液,下列说法正确的是( )
A.a电极为阳极,发生还原反应
B.b电极有红色物质析出,电极反应式为Cu2++2e-Cu
C.若电解中有0.2ml电子转移,则阳极产生Cl2的体积为2.24L
D.此装置为化学能转化为电能
答案 B a极连接电源的正极,为电解池的阳极,发生氧化反应,A项错误;b电极为电解池的阴极,反应有红色物质析出,电极反应式为Cu2++2e-Cu,B项正确;阳极发生氧化反应:2Cl-2e-Cl2↑,若电解中有0.2ml电子转移,则阳极产生Cl2的体积在标准状况下为2.24L,但题目中未说明是否在标准状况下,C项错误;此装置为电解池,将电能转化为化学能,D项错误。
5.(2020河南郑州月考)两个惰性电极插入500mLAgNO3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.27mg B.54mg C.106mg D.216mg
答案 B 结合离子放电顺序可知,阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O,阴极电极反应式为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n(Ag)=n(HNO3)=n(H+)=(10-3ml·L-1-10-6ml·L-1)×0.5L≈5×10-4ml,m(Ag)=5×10-4ml×108g·ml-1=0.054g=54mg。
6.(2020福建泉州模拟)如图所示,下列叙述正确的是( )
A.Y为阴极,发生还原反应 B.X为正极,发生氧化反应
C.Y与滤纸接触处有氧气生成 D.X与滤纸接触处变红
答案 A 由题图可知,左边的装置为原电池而右边的装置为电解池,根据原电池原理,较活泼的一极作原电池的负极,所以Zn为负极,Cu为正极,再根据电解原理,Y与Zn片相连为阴极,发生还原反应,X与Cu片相连为阳极,发生氧化反应,A项正确、B项错误;Y极上H+放电,产生H2,同时产生了OH-,呈碱性,使酚酞溶液变红,C、D项错误。
7.家用暖气片大多用低碳钢材料制成,一旦生锈不仅影响美观,也会造成安全隐患。下列防止生锈的方法中,存在安全隐患的是( )
A.在暖气片表面镀锡
B.在暖气片表面涂漆
C.在暖气片表面涂铝粉
D.非供暖期在暖气片内充满弱碱性的无氧水
答案 A A项,铁的金属活动性大于锡,暖气片表面锡镀层破损后易形成原电池,铁作负极易发生反应:Fe-2e-Fe2+,有安全隐患。
8.利用如图所示装置可以模拟铁的电化学防护,下列有关说法中错误的是( )
A.若开关K置于N处,则X不宜用Cu、Ag等作电极
B.若X为锌且开关K置于M处,此属于牺牲阳极的阴极保护法
C.若X为碳棒,为减缓铁件的腐蚀,开关K应置于M处
D.在外加电流的阴极保护法中,铁件必须与电源负极相连
答案 C 铁的还原性比碳强,若X为碳棒,开关K置于M处,铁作负极,会加速腐蚀,C错误。
9.(2020黑龙江牡丹江模拟)再生铅行业是我国在重视环境保护和充分利用有色金属再生资源的情况下逐步发展起来的新兴产业。从废旧铅蓄电池中回收铅的工艺如下:
废铅PbONa2PbCl4Pb
电解原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.阴极区电极反应式为2H++2e-H2↑
B.电解过程中阳极附近溶液的pH明显增大
C.Na2PbCl4浓度下降后,在阴极区加入PbO,可实现电解质溶液的再生使用
D.电路中流经4ml电子,阴极可得207g铅
答案 C 由题图可知,阴极区发生还原反应,电极反应式为PbCl42-+2e-Pb+4Cl-,A项错误;阳极的电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,阳极区氢离子浓度增大,所以阳极附近溶液的pH减小,B项错误;阴极电解一段时间后溶液为HCl和NaCl的混合溶液,根据题给流程图可知,将PbO粗品溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的电解液,且根据电极反应式可知电解后减少的元素有Pb、O,因此向阴极区加PbO可恢复其浓度且实现物质的循环利用,C项正确;电解Na2PbCl4溶液,阴极生成Pb,电极反应式为PbCl42-+2e-Pb+4Cl-,所以n(Pb)=12n(e-)=2ml,m(Pb)=2ml×207g·ml-1=414g,D项错误。
10.(2020吉林长春联考)电-Fentn法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,反应原理如图所示。电解产生的H2O2与Fe2+发生 Fentn反应生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法正确的是( )
A.电源的A极为正极
B.与电源B极相连电极的电极反应式为H2O+e-H++·OH
C.Fentn反应为H2O2+Fe2+Fe(OH)2++·OH
D.每消耗22.4LO2(标准状况),整个电解池中理论上可产生2ml·OH
答案 C 左侧电极上发生了还原反应,该极为电解池的阴极,与之相连的电源的A极为负极,A错误;与电源B极相连的为电解池的阳极,阳极上发生氧化反应,B错误;根据题图可知,H2O2能够把 Fe2+氧化为Fe(OH)2+,C正确;消耗1mlO2,生成1mlH2O2,转移2ml电子,1mlFe3+转变成1mlFe2+,转移1ml电子,阴极总共转移3ml电子,则H2O2+Fe2+Fe3++OH-+·OH反应得到1ml ·OH,阳极转移3ml电子生成3ml ·OH,所以每消耗1mlO2,整个电解池中理论上可产生4ml ·OH,D错误。
11.(2020四川成都调研)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素(H2NCONH2,氮元素显-3价)的化学能直接转化为电能,并生成对环境无害物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜,下列说法中不正确的是( )
A.H+透过质子交换膜由左向右移动
B.铜电极应与Y相连接
C.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+
D.当N电极消耗0.25ml气体时,则铁电极增重16g
答案 D 由题图可知,M电极是负极,N电极是正极,H+透过质子交换膜由左向右移动,故A项正确;铁上镀铜,则铁为阴极应与负极相连,铜为阳极应与正极相连,故B项正确;H2NCONH2在负极上失电子发生氧化反应,生成氮气、二氧化碳和水,电极反应式为H2NCONH2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+,故C项正确;当N电极消耗0.25ml氧气时,则转移1.0ml电子,所以铁电极增重1.02ml×64g/ml=32g,故D项错误。
12.(2020新疆石河子模拟)SO2和NOx是主要的大气污染物,利用如图装置可同时吸收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2ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2ml
C.吸收池中发生的反应的离子方程式为2NO+2S2O42-+2H2ON2+4HSO3-
D.阳极发生的反应为SO2+2e-+2H2OSO42-+4H+
答案 D 由题图可知,HSO3-得电子生成S2O42-,发生还原反应,为阴极,则a是直流电源的负极,A项正确;阴极电极反应式为2HSO3-+2e-+2H+S2O42-+2H2O,阴极得到2ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2ml,B项正确;S2O42-与NO发生氧化还原反应,生成氮气,离子方程式为2NO+2S2O42-+2H2ON2+4HSO3-,C项正确;阳极发生失去电子的氧化反应,D项错误。
B组 综合提升
13.(2020湖北襄阳模拟)某同学进行下列实验:
下列说法不合理的是( )
A.生铁片发生吸氧腐蚀
B.中心区:Fe-2e-Fe2+
C.边缘处:O2+2H2O+4e-4OH-
D.交界处:4Fe2++O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+
答案 D 食盐水呈中性,生铁片在食盐中发生吸氧腐蚀,A项正确;中心区域为蓝色,说明有Fe2+生成,则中心区域发生的反应为Fe-2e-Fe2+,B项正确;边缘处为红色,说明有OH-生成,使酚酞显红色,则边缘处发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C项正确;在两色环交界处出现铁锈,则交界处:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,Fe(OH)3分解生成铁锈,D项错误。
14.(2020河北邢台模拟)乙醛酸(HOOC—CHO)是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图所示,该装置中阴、阳两极为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。下列说法正确的是( )
A.M电极与直流电源的负极相连
B.每得到1ml乙醛酸将有2mlH+从右室迁移到左室
C.N电极的电极反应式:HOOC—COOH-2e-+2H+HOOC—CHO+H2O
D.每消耗0.1ml乙二醛,M电极生成2.24L(标准状况)气体
答案 D 根据题图中H+的移动方向,确定M电极是阳极,与直流电源的正极相连,故A错误;H+应从左室迁移到右室,故B错误;N电极为阴极,电极反应式为HOOC—COOH+2e-+2H+HOOC—CHO+H2O,故C错误,M电极发生反应:2Cl--2e-Cl2↑、Cl2+OHC—CHO+H2O2Cl-+OHC—COOH+2H+,每消耗0.1ml乙二醛转移电子0.2ml,M电极上所得氯气的物质的量为0.1ml,体积为2.24L(标准状况),故D正确。
15.(2020陕西延安模拟)如图装置所示,C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,甲、乙装置中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前、后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F电极附近呈红色。
请回答:
(1)B极是电源的 ,一段时间后,甲装置中溶液颜色 ,丁装置中X电极附近的颜色逐渐变浅,Y电极附近的颜色逐渐变深,这表明 ,在电场作用下向Y电极移动。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为 。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是 (填“镀层金属”或“镀件”),电镀液是 溶液。常温下,当乙装置中溶液的pH是13时(此时乙溶液体积为500mL),丙装置中镀件上析出银的质量为 ,甲装置中溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲装置中发生的总反应的离子方程式是 。
答案 (1)负极 逐渐变浅 氢氧化铁胶体粒子带正电荷
(2)1∶2∶2∶2
(3)镀件 AgNO3 5.4g 变小
(4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
解析 (1)将直流电源接通后,F电极附近呈红色,说明F电极是阴极,E电极是阳极,则A为电源正极,B为电源负极。甲装置中因Cu2+放电使溶液颜色变浅。丁装置中Y电极附近颜色变深,说明Fe(OH)3胶体粒子向阴极移动,即Fe(OH)3胶体粒子带正电荷。(2)C、D、E、F的电极产物分别为O2、Cu、Cl2、H2,由于电路中通过的电量相等,因此其物质的量之比为1∶2∶2∶2。(3)乙装置中溶液pH=13,生成的n(NaOH)=0.1ml·L-1×0.5L=0.05ml,电路中通过的电子的物质的量为0.05ml,所以丙装置中镀件上析出银的质量为0.05ml×108g·ml-1=5.4g。(4)当活泼金属作阳极时,金属先于溶液中的阴离子放电而溶解,故甲装置中发生的总反应的离子方程式为Fe+Cu2+Fe2++Cu。
考试要点
核心素养
1.理解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
1.变化观念与平衡思想:认识化学变化的本质是有新物质的生成,并伴有能量的转化;能多角度、动态地分析电解池中发生的反应,并运用电解池原理解决实际问题。
2.科学态度与社会责任:肯定电解原理对社会发展的重大贡献,具有可持续发展意识和绿色化学观念,能对与电解有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
类型
实例
电极反应特点
电解质溶液变化
pH
使电解质
溶液复原
电解
水型
NaOH
阴极: 4H++4e-
2H2↑
阳极: 4OH--4e-2H2O+O2↑
浓度 增大
增大
加水
H2SO4
浓度 增大
减小
加水
Na2SO4
浓度 增大
不变
加水
电解电
解质型
HCl
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
浓度 减小
增大
通氯化氢
CuCl2
浓度 减小
加氯化铜
放H2
生碱型
NaCl
阴极:H2O放H2生成OH-
阳极:电解质阴离子放电
生成新电解质
增大
通氯化氢
放O2
生酸型
CuSO4
阴极:电解质阳离子放电
阳极:H2O放O2生成H+
生成新电解质
减小
加氧化铜
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与接触到的物质直接反应
不纯的金属接触到电解质溶液发生原电池反应
现象
金属被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
区别
无 电流产生
有微弱 电流产生
联系
电化学 腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀速率更快,危害也更严重
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+2H2O2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
阳极反应式
阴极反应式
总反应方程式
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
(2)用惰性电极电解MgCl2溶液
(3)用铜作电极电解NaCl溶液
(4)用惰性电极电解Na2SO4溶液
A.有机金属材料吸附与转化CO2
B.研发出水溶液锂离子电池
C.研发出“可呼吸”Na-CO2电池
D.氢氧燃料电池
操作
现象
取一块打磨过的生铁片,在其表面滴1滴含酚酞和K3[Fe(CN)6]的食盐水
放置一段时间后,生铁片上出现如图所示“斑痕”,其边缘处为红色,中心区域为蓝色,在两色环交界处出现铁锈
一、电解原理及规律
1.电解原理
(1)电解:在① 电流 作用下,电解质在两个电极上分别发生② 氧化反应 和③ 还原反应 的过程。
(2)电解池:将④ 电能 转化为⑤ 化学能 的装置。
(3)电解池的构成
a.有与⑥ 电源 相连的两个电极;
b.⑦ 电解质溶液 (或⑧ 熔融电解质 );
c.形成⑨ 闭合回路 。
(4)电解池工作原理示意图
2.阴、阳极的判断及电极反应式的书写
(1)判断电解池的阴、阳极
a.根据外接电源的正、负极判断:电源正极连接 阳极 ,电源负极连接 阴极 。
b.根据电极产物判断:电极溶解、逸出O2(或电极区变酸性)或逸出Cl2的为 阳极 ;析出金属、逸出H2(或电极区变碱性)的为 阴极 。
(2)电极反应式的书写步骤
a.分析电解质溶液(或熔融电解质)的组成:找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
b.排出阴、阳两极的放电顺序
[注意] ⅰ.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。ⅱ.最常用、最重要的放电顺序为阳极:Cl->OH-;阴极:Ag+>Cu2+>H+。ⅲ.电解水溶液时,K+、Ca2+、Na+、Mg2+、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。
(3)写出两极电极反应式
a.阳极:活性电极 失去 电子生成相应的金属阳离子;溶液中的阴离子 失去 电子生成相应的单质或高价态化合物。
b.阴极:溶液中的阳离子 得到 电子生成相应的单质或低价态化合物。
(4)写出电解总反应式
在两极转移电子数目相同的前提下,两极反应式相加即可得总反应的化学方程式或离子方程式。
3.以惰性电极电解电解质溶液的规律
二、电解原理的应用
1.氯碱工业
总反应方程式: 2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑ 。
2.电镀
镀层金属作 阳 极,待镀元件作 阴 极,电解质溶液中含有 镀层金属离子 。
如铁上镀锌:
3.电解精炼铜
4.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。
三、金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变成 金属阳离子 ,金属发生氧化反应。
2.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁的腐蚀为例)
3.金属的保护
1.易错易混辨析(正确的画“√”,错误的画“✕”)。
(1)电解池的阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应( )
(2)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 ( )
(3)Fe3+在电解池阴极放电时的电极反应式为Fe3++3e-Fe( )
(4)用惰性电极电解饱和食盐水,溶液的pH不变( )
(5)用铜作电极电解CuSO4溶液的离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+( )
(6)可将地下输油钢管与外加直流电源的正极相连以保护它不受腐蚀( )
(7)电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极( )
(8)与铜质水龙头连接处的钢质水管不易发生腐蚀( )
(9)钢铁在潮湿的空气中不能发生电化学腐蚀( )
(10)用如下图所示装置电解精炼铝( )
答案 (1)√ (2)✕ (3)✕ (4)✕ (5)✕ (6)✕ (7)✕ (8)✕ (9)✕ (10)✕
2.写出下列相关的电极反应式和总反应方程式。
答案 (1)2H2O-4e-O2↑+4H+ 4Ag++4e-4Ag
4Ag++2H2O4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-Cl2↑ 2H++2e-H2↑ Mg2++2Cl-+2H2OMg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)Cu-2e-Cu2+ 2H2O+2e-2OH-+H2↑ Cu+2H2OCu(OH)2↓+H2↑
(4)2H2O-4e-O2↑+4H+ 4H++4e-2H2↑ 2H2O2H2↑+O2↑
3.如图所示,甲、乙两试管中各放一枚铁钉,甲试管中为NH4Cl溶液,乙试管中为NaCl溶液,数天后导管中观察到的现象是 ,甲中正极反应为 ,乙中正极反应为 。试管中残留气体平均相对分子质量的变化为甲 (填“增大”“减小”或“不变”,下同),乙 。
答案 红墨水液面左低右高 2H++2e-H2↑ 2H2O+O2+4e-4OH- 减小 减小
考点一 电解原理及规律
◆典例探究
例1 下图装置(Ⅰ)是一种可充电电池,装置(Ⅱ)为电解池。装置(Ⅰ)的离子交换膜只允许Na+通过,已知电池充、放电的化学方程式为2Na2S2+NaBr3Na2S4+3NaBr,当闭合开关K时,电极X附近溶液变红。
下列说法正确的是( )
A.闭合开关K时,Na+从右到左通过离子交换膜
B.闭合开关K时,负极反应式为3NaBr-2e-NaBr3+2Na+
C.闭合开关K时,当有0.1mlNa+通过离子交换膜时,X电极上放出标准状况下气体1.12L
D.闭合开关K时,电极X的电极反应式为2Cl--2e-Cl2↑
答案 C 当闭合开关K时,电极X附近溶液变红,即X附近有氢氧根离子生成,所以电极X得电子析出氢气,电极X是阴极,电极Y是阳极。闭合开关K时,装置(Ⅰ)左边与阴极相连,是负极,右边是正极,原电池中,阳离子移向正极,所以钠离子从左到右通过离子交换膜,故A项错误;闭合开关K时,负极上失电子发生氧化反应,电极反应式为2Na2S2-2e-Na2S4+2Na+,故B项错误;闭合开关K时,当有0.1ml钠离子通过离子交换膜,即有0.1ml电子产生,根据氢气与电子的关系式知,生成的氢气体积为1.12L(标准状况下),故C项正确;闭合开关K时,电极X是阴极,溶液中的氢离子放电生成氢气,所以电极反应式为2H++2e-H2↑,故D项错误。
名师点拨
电极方程式的书写技巧——四步法
第一步:明确电极反应物和生成物,利用原子守恒写出反应物和生成物的关系式;
第二步:依化合价变化,写出得失电子总数;
第三步:根据电解质情况补充阴、阳离子,使式子两边电荷相等;
第四步:由原子守恒,用观察法彻底配平。
例2 (2020湖北黄冈月考)用惰性电极电解NaCl和CuSO4的混合液250mL,经过一段时间后,两极均得到11.2L气体(标准状况),则下列有关叙述中正确的是( )
A.阳极只可能发生电极反应:4OH--4e-2H2O+O2↑
B.两极得到的气体均为混合气体
C.若Cu2+的起始浓度为1ml·L-1,则Cl-的起始浓度为2ml·L-1
D.Cu2+的起始物质的量应大于0.5ml
答案 C 根据阴、阳离子的放电顺序可知,阳极先发生反应2Cl--2e-Cl2↑,然后发生反应4OH--4e-2H2O+O2↑,A错误;阴极先发生反应Cu2++2e-Cu,然后发生反应2H++2e-H2↑,故阴极得到的气体只有H2,B错误;两极均得到标准状况下11.2L气体,则n(H2)=
0.5ml,结合B项分析可知,阴极得到电子0.5ml×2+1ml·L-1×0.25L×2=1.5ml,若阳极只有Cl2生成,则失去电子0.5ml×2=1ml,不符合得失电子守恒,故还有O2生成,根据得失电子守恒及气体总物质的量可得:n(Cl2)×2+n(O2)×4=1.5ml,n(Cl2)+n(O2)=0.5ml,故n(Cl2)=n(O2)=0.25ml,所以Cl-的起始浓度为2ml·L-1,C正确;由C项分析可知,Cu2+完全反应,Cu2+的起始物质的量可以为0.25ml,小于0.5ml,D错误。
名师点拨
电化学计算的基本方法
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量计算、溶液的pH计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等,通常有下列几种方法:
常见微粒间的计算关系式为4e-~4H+~4OH-~4Cl-~4Ag+~2Cu2+~2H2~O2~2Cl2~4Ag~2Cu。
特别提醒 在电化学计算中,还常利用Q=I×t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。
◆题组训练
题组一 电解原理和电解规律
1.用电解水的方法分析水的组成时,需要加入一些电解质以增强水的导电性,不宜加入的物质是( )
A.Na2SO4 B.H2SO4 C.KOH D.NaCl
答案 D 加入NaCl,电解NaCl溶液时阴极生成H2,阳极产生氯气,D项符合题意。
2.(2020浙江台州月考)下图是用石墨作电极电解稀Na2SO4溶液的装置,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴紫色石蕊溶液。下列有关叙述正确的是( )
A.逸出气体的体积,电极B是电极A的2倍
B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出具有刺激性气味气体
C.电极A附近呈红色,电极B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
答案 D 电极A和B的反应式分别为4H2O+4e-2H2↑+4OH-、2H2O-4e-O2↑+4H+,相同温度和压强下,电极A生成气体体积是电极B的2倍,A项错误;阳极上生成O2,阴极上生成H2,O2和H2都是无色、无味气体,B项错误;由电极反应式知,电极A附近溶液呈碱性,电极B附近溶液呈酸性,则电极A附近溶液呈蓝色,电极B附近溶液呈红色,C项错误;用惰性电极电解稀Na2SO4溶液,实质是电解水,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性,D项正确。
题组二 电极反应式的书写及正误判断
3.(2020广州黄埔月考)用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体。下列说法不正确的是( )
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:Cl-+2OH--2e-ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:2H2O+2e-H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
答案 D 石墨作阳极,为惰性电极,溶液中的Cl-放电,电极反应式:Cl-+2OH-+2e-ClO-+H2O,铁作阴极,在碱性环境下发生反应:2H2O+2e-H2↑+2OH-,故A、B、C正确;pH为9~10的碱性溶液中H+不可能参加反应,除去CN-的反应为2CN-+5ClO-+H2ON2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-,故D错误。
4.(2020江西宜春月考)在微电子工作中NF3常用作氮化硅的蚀刻剂,工业上通过电解含NH4F等的无水熔融物生产NF3,其电解原理如图所示。
a电极为电解池的 (填“阴”或“阳”)极,写出该电极的电极反应式: ;电解过程中还会生成少量氧化性极强的气体单质,该气体的分子式是 。
答案 阳 NH4++3F--6e-NF3+4H+ F2
解析 由题图可知,H+在b电极上得到电子生成氢气,故b为阴极,则a为阳极,阳极上NH4+失去电子生成NF3,电极反应式为NH4++3F--6e-NF3+4H+;依据电解原理可知,F-也可能失去电子生成氟单质,故该气体单质为氟气。
题组三 有关电解的计算
5.(2020山西太原月考)将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3ml·L-1 B.2×10-3ml·L-1
C.1×10-3ml·L-1 D.1×10-7ml·L-1
答案 A 根据2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑,得n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2×0.064g64g·ml-1=0.002ml,c(H+)=×10-3ml·L-1,A项正确。
6.用惰性电极电解100mL4ml·L-1Cu(NO3)2溶液,一定时间后在阳极收集到标准状况下气体1.12L。停止电解,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,充分作用后溶液中Fe2+的浓度为(设溶液的体积不变)( )
·L-1 B.3ml·L-1
C.4ml·L-1 ·L-1
答案 D 本题涉及的反应过程可分为两个阶段,第一阶段是电解Cu(NO3)2溶液,第二阶段是硝酸、硝酸铜的混合溶液与足量的铁粉反应。电解后溶液中硝酸和硝酸铜的物质的量分别为0.2ml、0.3ml,前者与足量的铁粉反应生成0.075ml硝酸亚铁,后者与足量的铁粉反应生成0.3ml硝酸亚铁,故充分作用后溶液中Fe2+的浓度为0.075ml+·L-1。
考点二 电解原理的应用
◆典例探究
例 某同学组装了如图所示的电化学装置。电极Ⅰ为Al,其他电极均为Cu,则( )
A.电极Ⅰ发生还原反应
B.电极Ⅱ逐渐溶解
C.电流方向:电极Ⅳ电极Ⅰ
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-Cu
答案 C 根据题图可判断左边两池通过盐桥构成原电池,电极Ⅰ为负极,电极Ⅱ为正极,与负极相连的电极Ⅳ为电解池的阴极,与正极相连的电极Ⅲ为电解池的阳极。电极Ⅰ为负极,失去电子,发生氧化反应,故A错误;电极Ⅱ为正极,电解质溶液中的铜离子在正极得到电子生成铜单质,电极Ⅱ有铜析出,故B错误;电极Ⅰ为负极,电极Ⅳ为电解池的阴极,所以电流方向:电极Ⅳ电极Ⅰ,故C正确;电极Ⅲ为阳极,电极反应为Cu-2e-Cu2+,故D错误。
名师点拨
多池串联装置常见类型
类型1:图甲,无外接电源,二者必有一个装置是原电池(相当于发电装置),为电解装置提供电能,其中两个电极活动性差异大者为原电池,即左侧为原电池,右侧为电解池。
类型2:图乙,有外接电源,两装置均为电解池,且串联电解,通过电路的电子的物质的量相等。
◆题组训练
题组一 电解原理的常规应用
1.(2020湖南岳阳月考)利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产中的应用。下列说法正确的是( )
A.氯碱工业中,X电极上的反应式是4OH--4e-2H2O+O2↑
B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变
C.在铁片上镀铜时,Y是铁片
D.制取金属镁时,Z是氯化镁溶液
答案 C 氯碱工业中阳极是Cl-放电生成Cl2,A项错误;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极Cu2+放电析出Cu,但是粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,使得溶液中Cu2+浓度变小,B项错误;铁片上镀铜时,阴极是铁片,阳极是纯铜,C项正确;制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁,D项错误。
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,下列叙述正确的是(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一定相等
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只有Fe2+和Zn2+
答案 C A项,电解法制备高纯度的镍,粗镍作为阳极,金属的还原性顺序:Zn>Fe>Ni>Cu>Pt,发生氧化反应时,电极反应依次为Zn-2e-Zn2+、Fe-2e-Fe2+、Ni-2e-Ni2+,错误;B项,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,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一定相等,错误;C项,Cu和Pt的还原性比Ni的弱,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,正确;D项,电解后,溶液中存在的金属阳离子除了Fe2+、Zn2+外,还有Ni2+,错误。
题组二 电解原理的创新应用——带膜的电解池
3.以纯碱溶液为原料,通过电解的方法可制备小苏打,原理装置图如下:
装置工作时,下列有关说法正确的是( )
A.乙池电极接电池正极,气体X为H2
B.Na+由乙池穿过交换膜进入甲池
C.NaOH溶液Z比NaOH溶液Y浓度大
D.甲池电极反应:4CO32--4e-+2H2O4HCO3-+O2↑
答案 D 由题图可知,放出氧气的电极为阳极,则乙池电极为电解池阴极,和电源负极连接,溶液中氢离子放电生成氢气,A项错误;电解池中阳离子移向阴极,钠离子移向乙池,B项错误;阴极附近氢离子放电破坏了水的电离平衡,电极附近氢氧根离子浓度增大,NaOH溶液Y比NaOH溶液Z浓度大,C项错误;电解质溶液中氢氧根离子放电生成氧气,氢离子浓度增大,碳酸根离子结合氢离子生成碳酸氢根离子,出口为碳酸氢钠溶液,则电极反应为4CO32-+2H2O-4e-4HCO3-+
O2↑,D项正确。
4.(2020山东德州月考)电解法制备磷酸二氢钾(KH2PO4)的装置如图所示。下列说法正确的是( )
A.与a电极相连接的电源电势比b电极的高
B.离子交换膜x、y分别为阳离子、阴离子交换膜
C.电解时,理论上相同时间内通过交换膜的阴、阳离子数相等
D.当外电路中通过1ml电子时,会有11.2L的Cl2生成
答案 C 根据题图可知a电极为电解池的阴极,b电极为电解池的阳极,与b电极相连接的电源电势比a电极的高,故A错误;离子交换膜x为阴离子交换膜,离子交换膜y为阳离子交换膜,故B错误;中和室生成KH2PO4,K+、H2PO4-的个数比为1∶1,故C正确;电路中通过1ml电子时,会生成0.5mlCl2,未给出气体的状态条件,无法计算其体积,故D错误。
题组三 电化学中的“多池组合”装置分析
5.(2020山西忻州月考)如图,甲池的总反应为2CH3OH+3O2+4KOH2K2CO3+6H2O。下列说法不正确的是( )
A.甲池中每消耗2mlCH3OH,电解液中通过12ml电子
B.反应一段时间后,向乙池中加入一定量的CuO固体能使CuSO4溶液恢复原浓度
C.反应一段时间后,丙池中会产生白色沉淀且不会溶解
D.反应一段时间后,甲、乙两池pH均减小
答案 A 甲池CH3OH中C元素由-2价升高为+4价,故每消耗2mlCH3OH,电路中通过2ml×[+4-(-2)]=12ml电子,但电子不通过电解液溶液,A项错误;甲池中投放甲醇的电极是负极,投放氧气的电极是正极,所以乙池中石墨是阳极,银电极是阴极,电解时,石墨极上析出氧气,银极上析出铜,所以要使CuSO4溶液恢复到原浓度可加入一定量的CuO固体,B项正确;丙池中两电极发生的反应分别为2Cl--2e-Cl2↑、2H2O+2e-H2↑+2OH-,然后Mg2+和阴极的产物发生反应Mg2++2OH-Mg(OH)2↓,Mg(OH)2不溶解,C项正确;根据甲、乙两池的总反应式2CH3OH+3O2+4OH-2CO32-+6H2O和2CuSO4+2H2O2Cu+O2+2H2SO4可知,反应一段时间后,甲、乙两池pH均减小,D项正确。
6.利用膜技术原理和电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N2O5,装置如图所示,下列说法正确的是( )
A.b电极反应式是O2+4e-+2H2O4OH-
B.电解后乙装置中d电极附近溶液的pH不变
C.c电极反应式为N2O4-2e-+H2ON2O5+2H+
D.甲装置中每消耗1mlSO2,乙装置中有1mlH+通过隔膜
答案 B A项,甲装置为原电池,其中a电极为负极,b电极为正极,正极电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O,错误;B项,乙装置是电解池,均采用了惰性电极,d电极为阴极,电极反应式为2H++2e-H2↑,虽然消耗了H+,但同时有等量的H+从阳极区迁移过来,故溶液的pH不变,正确;C项,c电极为阳极,发生氧化反应:N2O4-2e-+2HNO32N2O5+2H+,错误;D项,甲装置中消耗1mlSO2转移2ml电子,根据得失电子守恒可知,乙装置中有2mlH+通过隔膜,错误。
考点三 金属的腐蚀与防护
◆典例探究
例 利用如图装置探究铁在海水中的电化学防护,下列说法不正确的是( )
A.若X为锌棒,开关K置于M处,可减缓铁的腐蚀
B.若X为锌棒,开关K置于M处,铁电极发生反应:Fe-2e-Fe2+
C.若X为碳棒,开关K置于N处,可减缓铁的腐蚀
D.若X为碳棒,开关K置于N处,铁电极发生反应:2H++2e-H2↑
答案 B 若X为锌棒,开关K置于M处,形成原电池,此时金属锌为负极,金属铁为正极,氧气在铁电极上发生还原反应,金属铁被保护,可减缓铁的腐蚀,故A正确、B错误;若X为碳棒,开关K置于N处,形成电解池,此时金属铁为阴极,H+在铁电极上发生还原反应,金属铁被保护,可减缓铁的腐蚀,故C、D正确。
名师点拨
1.判断金属腐蚀快慢的一般规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率: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:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。
(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀越快。
2.两种保护方法的比较
外加电流的阴极保护法比牺牲阳极的阴极保护法保护效果好。
◆题组训练
题组一 金属的电化学腐蚀
1.(2020江西南昌检测)如图各容器中盛有海水,铁在其中腐蚀时的顺序是( )
A.(4)>(2)>(1)>(3) B.(2)>(1)>(3)>(4)
C.(4)>(2)>(3)>(1) D.(3)>(2)>(4)>(1)
答案 B 金属腐蚀速率:金属作阳极的电解池>作负极的原电池>化学腐蚀>作正极的原电池>作阴极的电解池,因此顺序是(2)>(1)>(3)>(4),故B项正确。
2.下列与金属腐蚀有关的说法,正确的是( )
A.图甲中,铁钉易被腐蚀
B.图乙中,滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,没有蓝色沉淀出现
C.图丙中,燃气灶的中心部位容易生锈,主要是由于高温下铁发生化学腐蚀
D.图丁中,用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
答案 C 题图甲中,铁钉处于干燥环境,不易被腐蚀,A项错误;题图乙中,负极反应为Fe-2e-Fe2+,Fe2+与[Fe(CN)6]3-反应生成Fe3[Fe(CN)6]2蓝色沉淀,B项错误;题图丁中,为牺牲阳极的阴极保护法,镁块相当于原电池的负极,D项错误。
题组二 金属的保护
3.(2020山西太原模拟改编)深埋在潮湿土壤中的铁管道,在硫酸盐还原菌作用下,能被硫酸根离子腐蚀,其电化学腐蚀原理如图所示。下列说法正确的是( )
A.铁管道发生的是吸氧腐蚀
B.输送暖气的管道也易发生此类腐蚀
C.这种情况下,土壤的pH增大
D.管道上刷富铜油漆可以延缓管道的腐蚀
答案 C 由题图可知,负极反应为Fe-2e-Fe2+,正极反应为SO42-+5H2O+8e-HS-+9OH-。铁管道的腐蚀过程中,氧气并未参与反应,所以不是吸氧腐蚀,故A项错误;硫酸盐还原菌是蛋白质,在高温下易变性,失去催化效率,则输送暖气的管道不易发生此类腐蚀,故B项错误;由正、负极的电极反应可知,铁管道腐蚀过程中,OH-浓度增大,土壤pH增大,故C项正确;管道上刷富铜油漆,形成Cu-Fe原电池,Fe作负极,加快管道的腐蚀,故D项错误。
4.(2020河北邯郸模拟)据报道,中国的国产航母已经下水。为保护航母、延长其服役寿命可采用两种电化学防腐方法。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、锡或铜
D.方法2中舰体连接电源的负极
答案 D 方法1:舰体镶嵌一些比铁活泼性强的金属块,形成原电池,舰体作原电池的正极而受到保护,这种方法叫牺牲阳极的阴极保护法,A、C两项错误;方法2:航母舰体与外加直流电源的负极相连,形成电解池,舰体作电解池的阴极而受到保护,这种方法叫外加电流的阴极保护法,B项错误、D项正确。
1.(2020课标Ⅱ,12,6分)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色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
答案 C 本题重点考查电解原理及其应用。根据题给装置图可知,该装置有外接电源,为电解池,且Ag电极作阳极,故A项正确;通电时,阳极反应式为Ag-e-Ag+,生成的Ag+通过固体电解质进入电致变色层,与WO3结合得到AgxWO3,W的化合价降低,阴极反应式为WO3+xe-WO3x-,总反应为xAg+WO3AgxWO3,故B、D项正确,C项错误。
2.(2020山东,13,4分)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下图所示。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
答案 D 根据题给电解装置图可知,电解池右侧O2参加反应生成H2O2,a极为阳极,b极为阴极。电解时,阳极的电极反应式为2H2O-4e-4H++O2↑,阴极的电极反应式为4H++2O2+4e-2H2O2,A正确;根据电极反应式及得失电子守恒可知,阳极生成的H+通过质子交换膜进入阴极区最终转化为H2O2,阳极区H+的物质的量浓度不发生变化,pH不变,B、C正确;设电解时转移电子为4ml,则阳极生成1mlO2,阴极消耗2mlO2,D错误。
3.(2018课标Ⅰ,13,6分)最近我国科学家设计了一种CO2+H2S协同转化装置,实现对天然气中CO2和H2S的高效去除。示意图如下图所示,其中电极分别为ZnO@石墨烯(石墨烯包裹的ZnO)和石墨烯,石墨烯电极区发生反应为:
①EDTA-Fe2+-e-EDTA-Fe3+
②2EDTA-Fe3++H2S2H++S+2EDTA-Fe2+
该装置工作时,下列叙述错误的是( )
A.阴极的电极反应:CO2+2H++2e-CO+H2O
B.协同转化总反应:CO2+H2SCO+H2O+S
C.石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的低
D.若采用Fe3+/Fe2+取代EDTA-Fe3+/EDTA-Fe2+,溶液需为酸性
答案 C 由石墨烯电极区反应①可知该极发生氧化反应,为阳极,则ZnO@石墨烯为阴极。阴极的电极反应为CO2+2H++2e-CO+H2O,A正确;装置工作时涉及三个反应,Fe2+与Fe3+的转化循环进行,总反应为CO2与H2S之间的反应,根据得失电子守恒可知总反应为CO2+H2SCO+H2O+S,B正确;石墨烯与电源正极相连,ZnO@石墨烯与电源负极相连,故石墨烯上的电势比ZnO@石墨烯上的高,C错误;Fe2+、Fe3+均在酸性环境中稳定存在,D正确。
4.(2020课标Ⅱ,26节选)化学工业为疫情防控提供了强有力的物质支撑。氯的许多化合物既是重要化工原料,又是高效、广谱的灭菌消毒剂。回答下列问题:
(1)氯气是制备系列含氯化合物的主要原料,可采用如图所示的装置来制取。装置中的离子膜只允许 离子通过,氯气的逸出口是 (填标号)。
答案 (1)Na+ a
解析 (1)阳极发生氧化反应:2Cl--2e-Cl2↑,Cl2从a口逸出;阳极室排出淡盐水,故Na+透过离子膜进入阴极室。
5.(2020北京,15节选)H2O2是一种重要的化学品,其合成方法不断发展。
(2)电化学制备方法
已知反应2H2O22H2O+O2↑能自发进行,反向不能自发进行,通过电解可以实现由H2O和O2为原料制备H2O2。下图为制备装置示意图。
①a极的电极反应式是 。
②下列说法正确的是 。
A.该装置可以实现电能转化为化学能
B.电极b连接电源负极
C.该方法相较于早期制备方法具有原料廉价,对环境友好等优点
答案 (2)①O2+2H++2e-H2O2 ②AC
解析 (2)a极O2得电子生成H2O2,发生还原反应,为阴极;b极H2O失电子生成O2和H+,发生氧化反应,为阳极;电极b连接电源正极。
6.(2019课标Ⅲ,28节选)(4)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1ml电子,需消耗氧气 L(标准状况)。
答案 (4)Fe3++e-Fe2+,4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O 5.6
解析 负极区发生的是得电子的还原反应,故负极区的反应有Fe3++e-Fe2+、4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O;根据得失电子守恒得出关系式:
Fe3+~e-~Fe2+~14O2
1ml 0.25ml
n(O2)=0.25ml,标准状况下体积为5.6L。
A组 基础达标
1.我国科技创新成果斐然,下列成果与电化学无关的是( )
答案 A A项,由题图可知,利用有机金属材料吸附与转化CO2,与电化学无关;B、C、D项均与电化学有关。
2.(2020内蒙古赤峰月考)在水中加等物质的量的Ag+、Ba2+、Na+、SO42-、NO3-、Cl-,将该溶液放在用惰性材料作电极的电解槽中,通电片刻,则氧化产物与还原产物的质量比为( )
A.35.5∶108 B.16∶207
C.108∶35.5 D.8∶1
答案 D 等物质的量的Ag+与Cl-、Ba2+与SO42-恰好完全反应生成沉淀,电解液为硝酸钠溶液,电解方程式为2H2O2H2↑+O2↑,当转移相同电子时,阳极产物与阴极产物质量比为32∶(2×2)=8∶1,答案为D。
3.(2020江西抚州周测)电解下列哪种溶液后,只需要加入适量的水就能使溶液复原( )
A.AgNO3 B.NaCl C.NaOH D.CuSO4
答案 C C选项中的NaOH溶液电解时,电解的实质就是电解水,其他选项中溶液电解时,溶质中的离子都会参与放电,因此答案选C。
4.(2020安徽淮南月考)如图所示装置,以石墨为电极电解氯化铜溶液,下列说法正确的是( )
A.a电极为阳极,发生还原反应
B.b电极有红色物质析出,电极反应式为Cu2++2e-Cu
C.若电解中有0.2ml电子转移,则阳极产生Cl2的体积为2.24L
D.此装置为化学能转化为电能
答案 B a极连接电源的正极,为电解池的阳极,发生氧化反应,A项错误;b电极为电解池的阴极,反应有红色物质析出,电极反应式为Cu2++2e-Cu,B项正确;阳极发生氧化反应:2Cl-2e-Cl2↑,若电解中有0.2ml电子转移,则阳极产生Cl2的体积在标准状况下为2.24L,但题目中未说明是否在标准状况下,C项错误;此装置为电解池,将电能转化为化学能,D项错误。
5.(2020河南郑州月考)两个惰性电极插入500mLAgNO3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.27mg B.54mg C.106mg D.216mg
答案 B 结合离子放电顺序可知,阳极电极反应式为4OH--4e-O2↑+2H2O,阴极电极反应式为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n(Ag)=n(HNO3)=n(H+)=(10-3ml·L-1-10-6ml·L-1)×0.5L≈5×10-4ml,m(Ag)=5×10-4ml×108g·ml-1=0.054g=54mg。
6.(2020福建泉州模拟)如图所示,下列叙述正确的是( )
A.Y为阴极,发生还原反应 B.X为正极,发生氧化反应
C.Y与滤纸接触处有氧气生成 D.X与滤纸接触处变红
答案 A 由题图可知,左边的装置为原电池而右边的装置为电解池,根据原电池原理,较活泼的一极作原电池的负极,所以Zn为负极,Cu为正极,再根据电解原理,Y与Zn片相连为阴极,发生还原反应,X与Cu片相连为阳极,发生氧化反应,A项正确、B项错误;Y极上H+放电,产生H2,同时产生了OH-,呈碱性,使酚酞溶液变红,C、D项错误。
7.家用暖气片大多用低碳钢材料制成,一旦生锈不仅影响美观,也会造成安全隐患。下列防止生锈的方法中,存在安全隐患的是( )
A.在暖气片表面镀锡
B.在暖气片表面涂漆
C.在暖气片表面涂铝粉
D.非供暖期在暖气片内充满弱碱性的无氧水
答案 A A项,铁的金属活动性大于锡,暖气片表面锡镀层破损后易形成原电池,铁作负极易发生反应:Fe-2e-Fe2+,有安全隐患。
8.利用如图所示装置可以模拟铁的电化学防护,下列有关说法中错误的是( )
A.若开关K置于N处,则X不宜用Cu、Ag等作电极
B.若X为锌且开关K置于M处,此属于牺牲阳极的阴极保护法
C.若X为碳棒,为减缓铁件的腐蚀,开关K应置于M处
D.在外加电流的阴极保护法中,铁件必须与电源负极相连
答案 C 铁的还原性比碳强,若X为碳棒,开关K置于M处,铁作负极,会加速腐蚀,C错误。
9.(2020黑龙江牡丹江模拟)再生铅行业是我国在重视环境保护和充分利用有色金属再生资源的情况下逐步发展起来的新兴产业。从废旧铅蓄电池中回收铅的工艺如下:
废铅PbONa2PbCl4Pb
电解原理如图所示,下列说法正确的是( )
A.阴极区电极反应式为2H++2e-H2↑
B.电解过程中阳极附近溶液的pH明显增大
C.Na2PbCl4浓度下降后,在阴极区加入PbO,可实现电解质溶液的再生使用
D.电路中流经4ml电子,阴极可得207g铅
答案 C 由题图可知,阴极区发生还原反应,电极反应式为PbCl42-+2e-Pb+4Cl-,A项错误;阳极的电极反应式为2H2O-4e-O2↑+4H+,阳极区氢离子浓度增大,所以阳极附近溶液的pH减小,B项错误;阴极电解一段时间后溶液为HCl和NaCl的混合溶液,根据题给流程图可知,将PbO粗品溶解在HCl和NaCl的混合溶液中,得到含Na2PbCl4的电解液,且根据电极反应式可知电解后减少的元素有Pb、O,因此向阴极区加PbO可恢复其浓度且实现物质的循环利用,C项正确;电解Na2PbCl4溶液,阴极生成Pb,电极反应式为PbCl42-+2e-Pb+4Cl-,所以n(Pb)=12n(e-)=2ml,m(Pb)=2ml×207g·ml-1=414g,D项错误。
10.(2020吉林长春联考)电-Fentn法是用于水体中有机污染物降解的高级氧化技术,反应原理如图所示。电解产生的H2O2与Fe2+发生 Fentn反应生成的羟基自由基(·OH)能氧化降解有机污染物。下列说法正确的是( )
A.电源的A极为正极
B.与电源B极相连电极的电极反应式为H2O+e-H++·OH
C.Fentn反应为H2O2+Fe2+Fe(OH)2++·OH
D.每消耗22.4LO2(标准状况),整个电解池中理论上可产生2ml·OH
答案 C 左侧电极上发生了还原反应,该极为电解池的阴极,与之相连的电源的A极为负极,A错误;与电源B极相连的为电解池的阳极,阳极上发生氧化反应,B错误;根据题图可知,H2O2能够把 Fe2+氧化为Fe(OH)2+,C正确;消耗1mlO2,生成1mlH2O2,转移2ml电子,1mlFe3+转变成1mlFe2+,转移1ml电子,阴极总共转移3ml电子,则H2O2+Fe2+Fe3++OH-+·OH反应得到1ml ·OH,阳极转移3ml电子生成3ml ·OH,所以每消耗1mlO2,整个电解池中理论上可产生4ml ·OH,D错误。
11.(2020四川成都调研)图甲是一种利用微生物将废水中的尿素(H2NCONH2,氮元素显-3价)的化学能直接转化为电能,并生成对环境无害物质的装置,同时利用此装置的电能在铁上镀铜,下列说法中不正确的是( )
A.H+透过质子交换膜由左向右移动
B.铜电极应与Y相连接
C.M电极反应式:H2NCONH2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+
D.当N电极消耗0.25ml气体时,则铁电极增重16g
答案 D 由题图可知,M电极是负极,N电极是正极,H+透过质子交换膜由左向右移动,故A项正确;铁上镀铜,则铁为阴极应与负极相连,铜为阳极应与正极相连,故B项正确;H2NCONH2在负极上失电子发生氧化反应,生成氮气、二氧化碳和水,电极反应式为H2NCONH2+H2O-6e-CO2↑+N2↑+6H+,故C项正确;当N电极消耗0.25ml氧气时,则转移1.0ml电子,所以铁电极增重1.02ml×64g/ml=32g,故D项错误。
12.(2020新疆石河子模拟)SO2和NOx是主要的大气污染物,利用如图装置可同时吸收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2ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2ml
C.吸收池中发生的反应的离子方程式为2NO+2S2O42-+2H2ON2+4HSO3-
D.阳极发生的反应为SO2+2e-+2H2OSO42-+4H+
答案 D 由题图可知,HSO3-得电子生成S2O42-,发生还原反应,为阴极,则a是直流电源的负极,A项正确;阴极电极反应式为2HSO3-+2e-+2H+S2O42-+2H2O,阴极得到2ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2ml,B项正确;S2O42-与NO发生氧化还原反应,生成氮气,离子方程式为2NO+2S2O42-+2H2ON2+4HSO3-,C项正确;阳极发生失去电子的氧化反应,D项错误。
B组 综合提升
13.(2020湖北襄阳模拟)某同学进行下列实验:
下列说法不合理的是( )
A.生铁片发生吸氧腐蚀
B.中心区:Fe-2e-Fe2+
C.边缘处:O2+2H2O+4e-4OH-
D.交界处:4Fe2++O2+10H2O4Fe(OH)3+8H+
答案 D 食盐水呈中性,生铁片在食盐中发生吸氧腐蚀,A项正确;中心区域为蓝色,说明有Fe2+生成,则中心区域发生的反应为Fe-2e-Fe2+,B项正确;边缘处为红色,说明有OH-生成,使酚酞显红色,则边缘处发生的反应为O2+2H2O+4e-4OH-,C项正确;在两色环交界处出现铁锈,则交界处:4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3,Fe(OH)3分解生成铁锈,D项错误。
14.(2020河北邢台模拟)乙醛酸(HOOC—CHO)是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图所示,该装置中阴、阳两极为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。下列说法正确的是( )
A.M电极与直流电源的负极相连
B.每得到1ml乙醛酸将有2mlH+从右室迁移到左室
C.N电极的电极反应式:HOOC—COOH-2e-+2H+HOOC—CHO+H2O
D.每消耗0.1ml乙二醛,M电极生成2.24L(标准状况)气体
答案 D 根据题图中H+的移动方向,确定M电极是阳极,与直流电源的正极相连,故A错误;H+应从左室迁移到右室,故B错误;N电极为阴极,电极反应式为HOOC—COOH+2e-+2H+HOOC—CHO+H2O,故C错误,M电极发生反应:2Cl--2e-Cl2↑、Cl2+OHC—CHO+H2O2Cl-+OHC—COOH+2H+,每消耗0.1ml乙二醛转移电子0.2ml,M电极上所得氯气的物质的量为0.1ml,体积为2.24L(标准状况),故D正确。
15.(2020陕西延安模拟)如图装置所示,C、D、E、F、X、Y都是惰性电极,甲、乙装置中溶液的体积和浓度都相同(假设通电前、后溶液体积不变),A、B为外接直流电源的两极。将直流电源接通后,F电极附近呈红色。
请回答:
(1)B极是电源的 ,一段时间后,甲装置中溶液颜色 ,丁装置中X电极附近的颜色逐渐变浅,Y电极附近的颜色逐渐变深,这表明 ,在电场作用下向Y电极移动。
(2)若甲、乙装置中的C、D、E、F电极均只有一种单质生成时,对应单质的物质的量之比为 。
(3)现用丙装置给铜件镀银,则H应该是 (填“镀层金属”或“镀件”),电镀液是 溶液。常温下,当乙装置中溶液的pH是13时(此时乙溶液体积为500mL),丙装置中镀件上析出银的质量为 ,甲装置中溶液的pH (填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若将C电极换为铁,其他装置都不变,则甲装置中发生的总反应的离子方程式是 。
答案 (1)负极 逐渐变浅 氢氧化铁胶体粒子带正电荷
(2)1∶2∶2∶2
(3)镀件 AgNO3 5.4g 变小
(4)Fe+Cu2+Cu+Fe2+
解析 (1)将直流电源接通后,F电极附近呈红色,说明F电极是阴极,E电极是阳极,则A为电源正极,B为电源负极。甲装置中因Cu2+放电使溶液颜色变浅。丁装置中Y电极附近颜色变深,说明Fe(OH)3胶体粒子向阴极移动,即Fe(OH)3胶体粒子带正电荷。(2)C、D、E、F的电极产物分别为O2、Cu、Cl2、H2,由于电路中通过的电量相等,因此其物质的量之比为1∶2∶2∶2。(3)乙装置中溶液pH=13,生成的n(NaOH)=0.1ml·L-1×0.5L=0.05ml,电路中通过的电子的物质的量为0.05ml,所以丙装置中镀件上析出银的质量为0.05ml×108g·ml-1=5.4g。(4)当活泼金属作阳极时,金属先于溶液中的阴离子放电而溶解,故甲装置中发生的总反应的离子方程式为Fe+Cu2+Fe2++Cu。
考试要点
核心素养
1.理解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害以及防止金属腐蚀的措施。
1.变化观念与平衡思想:认识化学变化的本质是有新物质的生成,并伴有能量的转化;能多角度、动态地分析电解池中发生的反应,并运用电解池原理解决实际问题。
2.科学态度与社会责任:肯定电解原理对社会发展的重大贡献,具有可持续发展意识和绿色化学观念,能对与电解有关的社会热点问题做出正确的价值判断。
类型
实例
电极反应特点
电解质溶液变化
pH
使电解质
溶液复原
电解
水型
NaOH
阴极: 4H++4e-
2H2↑
阳极: 4OH--4e-2H2O+O2↑
浓度 增大
增大
加水
H2SO4
浓度 增大
减小
加水
Na2SO4
浓度 增大
不变
加水
电解电
解质型
HCl
电解质电离出的阴、阳离子分别在两极放电
浓度 减小
增大
通氯化氢
CuCl2
浓度 减小
加氯化铜
放H2
生碱型
NaCl
阴极:H2O放H2生成OH-
阳极:电解质阴离子放电
生成新电解质
增大
通氯化氢
放O2
生酸型
CuSO4
阴极:电解质阳离子放电
阳极:H2O放O2生成H+
生成新电解质
减小
加氧化铜
化学腐蚀
电化学腐蚀
条件
金属与接触到的物质直接反应
不纯的金属接触到电解质溶液发生原电池反应
现象
金属被腐蚀
较活泼金属被腐蚀
区别
无 电流产生
有微弱 电流产生
联系
电化学 腐蚀比化学腐蚀普遍得多,腐蚀速率更快,危害也更严重
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+2H2O2Fe(OH)2
联系
吸氧腐蚀更普遍
阳极反应式
阴极反应式
总反应方程式
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
(2)用惰性电极电解MgCl2溶液
(3)用铜作电极电解NaCl溶液
(4)用惰性电极电解Na2SO4溶液
A.有机金属材料吸附与转化CO2
B.研发出水溶液锂离子电池
C.研发出“可呼吸”Na-CO2电池
D.氢氧燃料电池
操作
现象
取一块打磨过的生铁片,在其表面滴1滴含酚酞和K3[Fe(CN)6]的食盐水
放置一段时间后,生铁片上出现如图所示“斑痕”,其边缘处为红色,中心区域为蓝色,在两色环交界处出现铁锈
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