
1.理解電解池的構(gòu)成、工作原理及應(yīng)用?!?.能寫出電極反應(yīng)式和反應(yīng)方程式。 3.了解金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的原因、金屬腐蝕的危害以及防止金屬腐蝕的措施。
考點(diǎn)一 電解原理考點(diǎn)二 電解原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用考點(diǎn)三 金屬的腐蝕與防護(hù)探究高考·明確考向
1.電解在__________作用下,電解質(zhì)在兩個(gè)電極上分別發(fā)生__________和__________的過程。2.電解池(1)概念:電解池是把__________能轉(zhuǎn)化為__________能的裝置。
(2)構(gòu)成條件:①有與__________相連的兩個(gè)電極。②電解質(zhì)溶液(或熔融鹽)。③形成__________。
3.電解池工作原理(1)電極名稱及電極反應(yīng)式(如圖)
(2)電子和離子的移動(dòng)方向
一般情況下,離子按上述順序放電,但如果離子濃度相差十分懸殊,離子濃度大的也可以先放電。如理論上H+的放電能力大于Fe2+、Zn2+,但在電解濃度大的硫酸亞鐵或硫酸鋅溶液中,由于溶液中c(Fe2+)或c(Zn2+)?c(H+),則先在陰極上放電的是Fe2+或Zn2+,因此陰極上的主要產(chǎn)物為Fe或Zn;但在水溶液中,Al3+、Mg2+、Na+等是不會(huì)在陰極上放電的。
5.用惰性電極電解電解質(zhì)溶液的規(guī)律
[想一想] (1)電解水型電解一段時(shí)間后,其電解質(zhì)的濃度一定增大嗎?舉例說明。提示:不一定,如用惰性電極電解飽和Na2SO4溶液,一段時(shí)間后會(huì)析出Na2SO4·10H2O晶體,剩余溶液仍為該溫度下的飽和溶液,此時(shí)濃度保持不變。(2)要使電解后的CuSO4溶液復(fù)原,加入Cu(OH)2固體可以嗎?為什么?加入CuCO3為什么也可復(fù)原?提示:不可以,因?yàn)殡娊釩uSO4溶液時(shí),盡管Cu2+和OH-分別放電,按照電極反應(yīng)式Cu2++2e-===Cu、4OH--4e-===2H2O+O2↑,氫元素變成H2O仍然留在溶液中,只有Cu析出和O2逸出,且物質(zhì)的量之比為2∶1,所以要讓溶液復(fù)原,需要加CuO,而不能加Cu(OH)2。加入CuCO3時(shí),CO2變?yōu)闅怏w逸出,相當(dāng)于加的是CuO。
(3)通過上述分析,電解質(zhì)溶液復(fù)原應(yīng)遵循什么原則?提示:電解質(zhì)溶液的復(fù)原應(yīng)遵循“從溶液中析出什么補(bǔ)什么”的原則,即從溶液中析出哪種元素的原子,則應(yīng)按比例補(bǔ)入那種元素的原子。(4)根據(jù)金屬活動(dòng)順序表,Cu和稀H2SO4不反應(yīng),怎樣根據(jù)電化學(xué)的原理實(shí)現(xiàn)Cu和稀H2SO4反應(yīng)產(chǎn)生H2?
CO2+6H++6e-===CH3OH+H2O
(4)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙烯的裝置如圖所示,使用的電極材料均為惰性電極。則a為電源的______極,陰極反應(yīng)式為________________________________________;陽極反應(yīng)式__________________________。
2CO2+12H++12e-===C2H4+4H2O
2H2O-4e-===O2↑+4H+
電極反應(yīng)式的書寫——“二判二析一寫”
題組二 電解原理的分析與運(yùn)用2.(2019·河南安陽調(diào)研)某同學(xué)設(shè)計(jì)如圖裝置,探究氯堿工業(yè)原理,下列說法正確的是( )A.石墨電極與直流電源的負(fù)極相連B.銅電極的電極反應(yīng)式為2H++2e-===H2↑C.氫氧化鈉在石墨電極附近產(chǎn)生,Na+向石墨電極遷移D.用濕潤的淀粉-KI試紙?jiān)阢~電極附近檢驗(yàn)氣體,試紙變藍(lán)色
3.如圖是一個(gè)用鉑絲作電極,電解稀的MgSO4溶液的裝置,電解液中加有中性紅指示劑,此時(shí)溶液呈紅色。(指示劑的pH變色范圍:6.8~8.0,酸色—紅色,堿色—黃色,Mg(OH)2沉淀的pH=9),接通電源一段時(shí)間后A管產(chǎn)生白色沉淀,回答下列問題:(1)下列關(guān)于電解過程中電極附近溶液顏色變化的敘述正確的是________(填編號(hào))。①A管溶液由紅變黃 ②B管溶液由紅變黃?、跘管溶液不變色?、蹷管溶液不變色
(2)寫出A管中發(fā)生的反應(yīng):_________________________________________ ________________________________________。(3)寫出B管中發(fā)生的反應(yīng):____________________________________________________________。(4)檢驗(yàn)b管中氣體的方法是______________________________________________________________________。(5)電解一段時(shí)間后,切斷電源,將電解液倒入燒杯內(nèi)觀察到的現(xiàn)象是____________________________。解析 電解時(shí),陽極上氫氧根離子放電生成氧氣,導(dǎo)致陽極附近溶液呈酸性;陰極上氫離子放電生成氫氣,同時(shí)有氫氧根離子生成,氫氧根離子和鎂離子反應(yīng)生成氫氧化鎂沉淀,溶液呈弱堿性。
2H++2e-===H2↑、Mg2++2OH-===Mg(OH)2↓
(或2H2O+2e-+Mg2+===H2↑+Mg(OH)2↓)
4OH--4e-===2H2O+O2↑(或2H2O-4e-===O2↑+4H+)
用拇指堵住管口,取出試管,放開拇指,將帶有火星的木條伸入試管內(nèi),木條復(fù)燃
溶液呈紅色,白色沉淀溶解
1.計(jì)算類型有關(guān)原電池和電解池的計(jì)算包括兩極產(chǎn)物的定量計(jì)算、溶液pH的計(jì)算、相對(duì)原子質(zhì)量和阿伏加德羅常數(shù)的計(jì)算、產(chǎn)物的量與電量關(guān)系的計(jì)算等。2.三種方法(1)根據(jù)總反應(yīng)式計(jì)算先寫出電極反應(yīng)式,再寫出總反應(yīng)式,最后根據(jù)總反應(yīng)式列出比例式計(jì)算。
電化學(xué)計(jì)算的三種常見方法
(2)根據(jù)電子守恒計(jì)算①用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產(chǎn)物、正負(fù)兩極產(chǎn)物、相同電量等類型的計(jì)算,其依據(jù)是電路中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等。②用于混合溶液中電解的分階段計(jì)算。(3)根據(jù)關(guān)系式計(jì)算根據(jù)得失電子守恒定律建立起已知量與未知量之間的橋梁,構(gòu)建計(jì)算所需的關(guān)系式。如以通過4 ml e-為橋梁可構(gòu)建如下關(guān)系式:
(式中M為金屬,n為其離子的化合價(jià)數(shù)值)該關(guān)系式具有總攬電化學(xué)計(jì)算的作用和價(jià)值,熟記電極反應(yīng)式,靈活運(yùn)用關(guān)系式便能快速解答常見的電化學(xué)計(jì)算問題。提示:在電化學(xué)計(jì)算中,還常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19 C來計(jì)算電路中通過的電量。
題組一 根據(jù)總反應(yīng)式建立等量關(guān)系進(jìn)行計(jì)算1.將兩個(gè)鉑電極插入500 mL CuSO4溶液中進(jìn)行電解,通電一定時(shí)間后,某一電極增重0.064 g(設(shè)電解時(shí)該電極無氫氣逸出,且不考慮水解和溶液體積變化),此時(shí)溶液中氫離子濃度約為( )A.4×10-3 ml/L B.2×10-3 ml/LC.1×10-3 ml/L D.1×10-7 ml/L
2.兩個(gè)惰性電極插入500 mL AgNO3溶液中,通電電解。當(dāng)電解液的pH從6.0變?yōu)?.0時(shí)(設(shè)電解過程中陰極沒有H2放出,且電解液在電解前后體積變化可以忽略不計(jì)),電極上析出銀的質(zhì)量最大為( )A.27 mg B.54 mgC.106 mg D.216 mg
題組二 根據(jù)電子守恒突破電解分階段計(jì)算3.(2019·山東煙臺(tái)調(diào)研)把物質(zhì)的量均為0.1 ml的CuCl2和H2SO4溶于水制成100 mL的混合溶液,用石墨作電極電解,并收集兩電極所產(chǎn)生的氣體,一段時(shí)間后在兩極收集到的氣體在相同條件下體積相同。則下列描述正確的是( )A.電路中共轉(zhuǎn)移0.6 NA個(gè)電子B.陽極得到的氣體中O2的物質(zhì)的量為0.2 mlC.陰極質(zhì)量增加3.2 gD.電解后剩余溶液中硫酸的濃度為1 ml·L-1答案 A
題組三 根據(jù)電子守恒突破電解池的“串聯(lián)”計(jì)算5.甲醇是一種重要的化工原料和新型燃料。下圖是甲醇燃料電池工作的示意圖,其中A、B、D均為石墨電極,C為銅電極。工作一段時(shí)間后,斷開K,此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同。
(1)甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式為_________________________________________。(2)乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為________。(3)丙裝置溶液中金屬陽離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如下圖,則圖中②線表示的是________的變化;反應(yīng)結(jié)束后,要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀,需要________ mL 5.0 ml·L-1 NaOH溶液。
圖甲中無外接電源,二者必有一個(gè)裝置是原電池(相當(dāng)于發(fā)電裝置),為電解裝置提供電能,其中兩個(gè)電極活動(dòng)性差異大者為原電池裝置,即左圖為原電池裝置,右圖為電解裝置。圖乙中有外接電源,兩燒杯均作電解池,且串聯(lián)電解,通過的電流相等。
考點(diǎn)二 電解原理在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
(3)氯堿工業(yè)生產(chǎn)流程圖(4)應(yīng)用:氯堿工業(yè)制__________、__________和__________。
2.電鍍?nèi)鐖D為金屬表面鍍銀的工作示意圖,據(jù)此回答下列問題:(1)鍍件作__________極,鍍層金屬銀作__________極。(2)電解質(zhì)溶液是____________________________________________。(3)電極反應(yīng):陽極:________________________;陰極:________________________。(4)特點(diǎn):__________極溶解,__________極沉積,電鍍液的濃度__________。
AgNO3溶液等含鍍層金屬陽離子的鹽溶液
Ag-e-===Ag+
Ag++e-===Ag
3.電解精煉銅(1)電極材料:陽極為__________,陰極為__________。(2)電解質(zhì)溶液:含Cu2+的鹽溶液。(3)電極反應(yīng):陽極:________________________、_____________________、__________________、___________________________;陰極:_________________________。注意:隨著電解的進(jìn)行,溶液中Cu2+的濃度將減小。
Zn-2e-===Zn2+
Fe-2e-===Fe2+
Ni-2e-===Ni2+
Cu-2e-===Cu2+
Cu2++2e-===Cu
4.電冶金利用電解熔融鹽的方法來冶煉活潑金屬Na、Ca、Mg、Al等。
[想一想](1)為什么電解熔融的MgCl2制取單質(zhì)鎂而不電解熔融的MgO?提示:因?yàn)镸gO的熔點(diǎn)比MgCl2的高,浪費(fèi)能源,且電解熔融的MgCl2還可得到副產(chǎn)物Cl2。(2)為什么電解熔融的Al2O3制取單質(zhì)鋁而不電解熔融的AlCl3 ?提示:AlCl3是共價(jià)化合物,熔融狀態(tài)不導(dǎo)電。
1.(2019·安徽淮北質(zhì)檢)利用如圖所示裝置模擬電解原理在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。下列說法正確的是( )A.氯堿工業(yè)中,X電極上反應(yīng)式是4OH--4e-===2H2O+O2↑B.電解精煉銅時(shí),Z溶液中的Cu2+濃度不變C.在鐵片上鍍銅時(shí),Y是純銅D.制取金屬鎂時(shí),Z是熔融的氯化鎂
解析 氯堿工業(yè)中陽極是Cl-放電生成Cl2;電解精煉銅時(shí)陽極粗銅溶解,陰極Cu2+放電析出Cu,溶液中Cu2+濃度變??;鐵片上鍍銅時(shí),陰極應(yīng)該是鐵片,陽極是純銅。
2.(2019·遼寧沈陽一中檢測(cè))金屬鎳有廣泛的用途。粗鎳中含有少量Fe、Zn、Cu、Pt等雜質(zhì),可用電解法制備高純度的鎳,下列敘述正確的是(已知:氧化性Fe2+Pt,陰極的放電順序?yàn)椋篫n2+有防腐措施的腐蝕。(2)對(duì)同一金屬來說,在不同溶液中腐蝕速率的快慢:強(qiáng)電解質(zhì)溶液中>弱電解質(zhì)溶液中>非電解質(zhì)溶液中。(3)活動(dòng)性不同的兩種金屬,活動(dòng)性差別越大,腐蝕速率越快。(4)對(duì)同一種電解質(zhì)溶液來說,電解質(zhì)濃度越大,金屬腐蝕越快。(5)金屬在外加電流的陰極保護(hù)法作用下腐蝕速率小于在犧牲陽極的陰極保護(hù)法作用下的腐蝕速率。
2.(析氫腐蝕與吸氧腐蝕的判斷)如圖所示裝置中,有如下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:開始時(shí)插在小試管中的導(dǎo)管內(nèi)的液面下降,一段時(shí)間后導(dǎo)管內(nèi)的液面回升,略高于試管中的液面。以下有關(guān)解釋不合理的是( )A.生鐵片中所含的碳能增強(qiáng)鐵的抗腐蝕性B.雨水酸性較強(qiáng),生鐵片開始發(fā)生析氫腐蝕C.導(dǎo)管內(nèi)液面回升時(shí),正極反應(yīng)式:O2+2H2O+4e-===4OH-D.隨著反應(yīng)的講行,U形管中雨水的酸性逐漸減弱
解析 鐵的純度越高,其抗腐蝕性能越強(qiáng),純鐵比生鐵耐腐蝕,是因?yàn)樯F片中的碳降低了鐵的抗腐蝕性,A錯(cuò)誤;雨水的pH=4,呈較強(qiáng)的酸性,生鐵片在該雨水中先發(fā)生析氫腐蝕,正極反應(yīng)為2H++2e-===H2↑,由于生成H2,氣體壓強(qiáng)增大,開始時(shí)插在小試管中的導(dǎo)管內(nèi)的液面下降,B正確;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,雨水的酸性逐漸減弱,最后發(fā)生了吸氧腐蝕,正極反應(yīng)式為O2+2H2O+4e-===4OH-,導(dǎo)管內(nèi)液面回升,C正確;開始階段正極上不斷消耗H+,則U形管中雨水的酸性逐漸減弱,D正確。
正確判斷“介質(zhì)”溶液的酸堿性是分析析氫腐蝕和吸氧腐蝕的關(guān)鍵。潮濕的空氣、酸性很弱或中性溶液發(fā)生吸氧腐蝕;酸性較強(qiáng)的溶液發(fā)生析氫腐蝕。
3.(金屬的防護(hù))(2018·遼寧大連期末)2017年4月26日,我國第一艘國產(chǎn)001 A型航母順利建成下水,有鹽分的海水和空氣會(huì)對(duì)艦體造成腐蝕,因此艦體的防腐處理非常重要。下列關(guān)于金屬腐蝕和防腐的說法錯(cuò)誤的是( )A.可以在艦體外殼裝上鋅塊,用犧牲陽極的陰極保護(hù)法防止金屬腐蝕B.海上艦艇的腐蝕主要是金屬的化學(xué)腐蝕C.刷防銹漆,使金屬與空氣、水等物質(zhì)隔離,可防止金屬被腐蝕D.外加電流,將需要保護(hù)的金屬與電源的負(fù)極相連,可以起到保護(hù)金屬的作用
解析 在艦體外殼裝上鋅塊,發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí),由于Zn的活潑性強(qiáng)于Fe,Zn作負(fù)極被腐蝕,而艦體作正極而受到保護(hù),這種方法稱為犧牲陽極的陰極保護(hù)法,A正確;艦體浸在含鹽分的海水中,由于海水呈弱堿性,則主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕,即發(fā)生吸氧腐蝕,B錯(cuò)誤;刷防銹漆,使金屬與空氣、水等物質(zhì)隔離,阻斷金屬發(fā)生腐蝕的條件,可防止金屬被腐蝕,C正確;將需要保護(hù)的金屬與電源的負(fù)極相連,形成電解池,被保護(hù)金屬作電解池的陰極,從而得到保護(hù),D正確。
1.(2018·北京卷,12)驗(yàn)證犧牲陽極的陰極保護(hù)法,實(shí)驗(yàn)如下(燒杯內(nèi)均為經(jīng)過酸化的3%NaCl溶液)。
下列說法不正確的是( )A.對(duì)比②③,可以判定Zn保護(hù)了FeB.對(duì)比①②,K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化C.驗(yàn)證Zn保護(hù)Fe時(shí)不能用①的方法D.將Zn換成Cu,用①的方法可判斷Fe比Cu活潑
解析 D錯(cuò):K3[Fe(CN)6]可將單質(zhì)鐵氧化為Fe2+,F(xiàn)e2+與K3[Fe(CN)6]生成藍(lán)色沉淀,附著在Fe表面,無法判斷鐵比銅活潑。A對(duì):實(shí)驗(yàn)②中加入K3[Fe(CN)6],溶液無變化,說明溶液中沒有Fe2+;實(shí)驗(yàn)③中加入K3[Fe(CN)6]生成藍(lán)色沉淀,說明溶液中有Fe2+。B對(duì):對(duì)比①②可知,①中K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化成Fe2+,F(xiàn)e2+再與K3[Fe(CN)6]反應(yīng)生成藍(lán)色沉淀。C對(duì):由以上分析可知,驗(yàn)證Zn保護(hù)Fe時(shí),可以用②③做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
2.(2017·全國卷Ⅱ,11)用電解氧化法可以在鋁制品表面形成致密、耐腐蝕的氧化膜,電解質(zhì)溶液一般為H2SO4-H2C2O4混合溶液。下列敘述錯(cuò)誤的是( )A.待加工鋁質(zhì)工件為陽極B.可選用不銹鋼網(wǎng)作為陰極C.陰極的電極反應(yīng)式為Al3++3e-===AlD.硫酸根離子在電解過程中向陽極移動(dòng)
解析 A對(duì):該電解池陽極發(fā)生的電極反應(yīng)為2H2O-4e-===4H++O2↑,氧氣將鋁制品表面氧化形成致密的氧化膜,所以待加工鋁質(zhì)工件應(yīng)為陽極。B對(duì),C錯(cuò):陰極發(fā)生的電極反應(yīng)為2H++2e-===H2↑,陰極可選用不銹鋼網(wǎng)作電極。D對(duì):電解質(zhì)溶液中的陰離子向陽極移動(dòng)。
3.(2017·全國卷Ⅰ,11)支撐海港碼頭基礎(chǔ)的鋼管樁,常用外加電流的陰極保護(hù)法進(jìn)行防腐,工作原理如圖所示,其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽極。下列有關(guān)表述不正確的是( )A.通入保護(hù)電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零B.通電后外電路電子被強(qiáng)制從高硅鑄鐵流向鋼管樁C.高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽極材料和傳遞電流D.通入的保護(hù)電流應(yīng)該根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整
解析 A對(duì):外加強(qiáng)大的電流可以抑制金屬電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的電流。B對(duì):被保護(hù)的鋼管樁作陰極,高硅鑄鐵作陽極,電解池中外電路電子由陽極流向陰極,即從高硅鑄鐵流向鋼管樁。C錯(cuò):高硅鑄鐵為惰性輔助陽極,其主要作用是傳遞電流,而不是作為損耗陽極。D對(duì):保護(hù)電流要抑制金屬電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的電流,應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件變化進(jìn)行調(diào)整。
4.(2016·北京卷,12)用石墨電極完成下列電解實(shí)驗(yàn)。
下列對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋或推測(cè)不合理的是( )A.a(chǎn)、d處:2H2O+2e-===H2↑+2OH-B.b處:2Cl--2e-===Cl2↑C.c處發(fā)生了反應(yīng):Fe-2e-===Fe2+D.根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的原理,實(shí)驗(yàn)二中m處能析出銅
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