2018届高考一轮复习人教版第3节电解池金属的电化学腐蚀与防护含解析学案

2018届高考一轮复习人教版第3节电解池金属的电化学腐蚀与防护含解析学案

一、电解池的工作原理 ‎【知识梳理】‎ ‎1．定义：将电能转变成化学能的装置。‎ ‎2. 形成条件：两电极接直流电源；两电极（一般为惰性电极）同时插入同一电解质溶液；用导线相互连接组成闭合回路。‎ ‎3．电极判断：‎ ‎4. 电极反应：阳极上发生失电子的氧化反应，阴极上发生得电子的还原反应。电子的流向从电源的负极到电解池的阴极，再从电解池的阳极到电源的正极。‎ ‎（1）阳极：若为惰性电极，则电极本身不反应，溶液中的阴离子失去电子，发生氧化反应。阴离子放电顺序(还原性强弱顺序)：S2―＞I―＞Br―＞Cl―＞OH―＞NO3-＞SO42-＞F－；若为活性电极：则电极本身失去电子，发生氧化反应。‎ 阴极：‎ ‎（2）电极本身不反应，溶液中阳离子在阴极上获得电子，发生还原反应。放电顺序：Ag+＞Hg2+＞Fe3+＞Cu2+＞H+＞Pb2+＞Sn2+＞Fe2+＞Zn2+＞Al3+＞Mg2+＞Na+＞Ca2+＞K+。‎ ‎5. 电解规律：‎ ‎【典例分析】下列说法正确的是 。‎ ‎①用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极 ‎②电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 ‎③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 ‎④电解熔融的氧化铝制取金属铝，用铁作阳极 ‎⑤电解是把电能转化成化学能 ‎⑥任何溶液被电解时，必然导致氧化还原反应的发生 ‎⑦在海轮外壳连接锌块保护外壳不受腐蚀是采用了牺牲阳极的阴极保护法 ‎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 答案 解析 ‎①⑤⑥‎ 电解精炼铜时，粗铜中的铜失去电子，做阳极，①错误；电解稀硫酸时，铜做阳极，失电子的是铜而不是溶液中的OH－，因而得不到氧气，②错误；外加直流电源保护器件时，必须连接电源负极，③错误；电解熔融的氧化铝制取金属铝，是用石墨作阳极，④错误；从能量角度看，电解是把电能转化成化学能的过程，⑤正确；电解质溶液的导电过程，必然伴随着两个电极上氧化、还原反应的发生，同时生成新的物质，⑥正确；与Zn块形成原电池，Zn作负极（阳极），从而保护Fe正极（阴极），⑦正确；铜和钢构成原电池，腐蚀速度加快，⑧错误；钢铁是铁和碳的混合物，在潮湿的空气的中易发生吸氧腐蚀，属于电化学腐蚀，⑨错误 ‎【指点迷津】根据阳离子放电顺序判断阴极产物时，要注意下列三点：①‎ 阳离子放电顺序表中前一个c(H＋)与其他离子的浓度相近，后一个c(H＋)很小，来自水的电离；②Fe3＋得电子能力大于Cu2＋，但第一阶段只能被还原到Fe2＋；③Pb2＋、Sn2＋、Fe2＋、Zn2＋控制一定条件(即电镀)时也能在水溶液中放电；Al3＋、Mg2＋、Na＋、Ca2＋、K＋只有在熔融状态下放电。‎ ‎【达标练习】‎ ‎1. 如图为直流电源电解稀Na2SO4水溶液的装置。通电后在石墨电极a和b附近分别滴加一滴石蕊试液，下列实验现象中正确的是（ ）‎ A．逸出气体的体积a电极的小于b电极的 B．一电极逸出无味气体，另一电极逸出刺激性气味气体 C．a电极附近呈红色，b电极附近出现蓝色 D．a电极附近呈蓝色，b电极附近出现红色 ‎2. 电化学降解NO3-的原理如图所示。下列说法中不正确的是（ ）‎ A．铅蓄电池的A极为正极，电极材料为PbO2 ‎ B．铅蓄电池工作过程中负极质量增加 C．该电解池的阴极反应为：2NO3-+ 6H2O + 10eˉ ＝ N2↑ + 12OHˉ‎ D．若电解过程中转移2moL电子，则交换膜两侧电解液的质量变化差（Δm左－Δm右）为‎10.4g ‎3. 研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2—CaO作电解质，利用右图所示装置获得金属钙，并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法中，正确的是 A．由TiO2制得1 mol金属Ti，理论上外电路转移2 mol电子 B．阳极的电极反应式为C＋2O2－－4e－===CO2↑‎ C．在制备金属钛前后，整套装置中CaO的总量减少 ‎ D．若用铅蓄电池作该装置的供电电源，“＋”接线柱应连接Pb电极 题号 答案 解析 ‎1‎ C 惰性电极电解硫酸钠溶液实质是电解水，根据电池符号判断电解池的阴阳极分别是a和b，a电极（阴极）的电极反应式为：4H+ +4e- =2H2 ↑，即a电极附近的溶剂水分子得电子放出氢气的同时产生大量的OH- ，使得a电极附近呈蓝色（紫色石蕊遇到碱呈蓝色）；b电极（阳极）的电极反应式为：4OH- -4e- =2H2O+O2↑，即b电极附近的溶剂水分子失电子放出氧气的同时产生大量的H+，使得b电极附近呈红色（紫色石蕊遇到酸呈红色）‎ ‎2‎ D A．根据图示可知：在右边的Pt-Ag电极上NO3-得到电子被还原变为N2；所以该电极是阴极，与之连接的B是负极，A是正极。铅蓄电池的A极为正极，电极材料为PbO2，正确；B．铅蓄电池工作过程中负极发生反应：Pb-2e-+SO42-=PbSO4↓，所以负极质量增加，正确；C．该电解池的阴极反应为：2NO3-+ 6H2O + 10eˉ ＝ N2↑ + 12OHˉ，正确；D．在阳极发生反应：2H2O—4e-=4H++O2↑；若电解过程中转移2moL电子，会消耗1mol的水，产生的2mol的H+进入阴极室，阳极质量减轻‎18g,在阴极室发生反应：2NO3-+ 6H2O + 10eˉ ＝N2↑ + 12OHˉ，若转移2mol的电子，会产生0.2mol的N2从溶液中逸出，同时有由2mol的H+进入该室，则阴极室实际减轻的质量是0.2mol×‎28g/mol‎-2g=‎3.6g，则两侧电解液的质量变化差（Δm右－Δm左）为‎18g-3.6g=‎14.4g，错误 ‎3‎ B A．TiO2中Ti元素的化合价是+4价，则由TiO2制得1 mol金属Ti，理论上外电路转移4 mol电子，A错误；B．阳极失去电子，根据装置图可知CO在阳极失去电子，电极反应式为C＋2O2－－4e－＝CO2↑，B正确；C．阳极消耗的氧离子是阴极TiO2提供的，因此在制备金属钛前后，整套装置中CaO的总量不变，C错误；D．若用铅蓄电池作该装置的供电电源，“＋”接线柱应连接PbO2电极，D错误 二、电解规律的应用 ‎【知识梳理】‎ ‎1.电解饱和食盐水制取烧碱：‎ 离子交换膜电解槽主要由阳极（用金属钛网制成，涂有钛、钌等氧化物涂层）、阴极（由碳钢网制成，上面涂有镍涂层）、离子交换膜、电解槽框、导电铜棒等组成。离子交换膜只允许阳离子通过，而阻止阴极离子和气体通过。‎ ‎（1）原理：‎ ‎①阳极（用石墨）：2Cl― －2e－=Cl2 ↑ ‎ ‎②阴极（用Fe）：2 H＋ + 2e－= H2 ↑‎ ‎③总反应：2NaCl + 2 H2O 2NaOH +H2↑+Cl2↑‎ ‎（2）和食盐水的精制：电解前应除去食盐溶液中的Ca2＋、Mg2＋、SO42―等杂质离子，加入试剂依次为NaOH溶液、BaCl2溶液、Na2CO3溶液、稀盐酸（或将BaCl2溶液和NaOH溶液的顺序互换）。‎ ‎2.电镀：电镀是利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的过程。电镀是一种特殊的电解，要求镀件必须作阴极，镀层金属作阳极，含镀层金属离子的可溶性盐溶液作电解质溶液（作为电镀液）。‎ ‎（1）形成条件：①电解时，镀层金属作 阳极；②镀件作 阴极；③含 镀层金属离子的电解质溶液作电镀液；④用 直流电源。‎ ‎（2）特征：①阳极本身 放电被氧化 ；②宏观上看无新物质生成；③电解液的总量、浓度、pH均不变。‎ ‎3. 电解精炼粗铜时，阳极材料是粗铜，阴极材料是精铜，电解质溶液是CuSO4溶液(或 Cu(NO3)2溶液)。粗铜中往往含有锌、铁、镍、银、金等多种杂质，当含杂质的铜在阳极不断溶解时，位于金属活动性顺序铜以前的金属杂质如Zn、Fe、Ni等，也会同时放电：Zn－2e－= Zn2+ 、Fe －2e－= Fe2+、Ni－2e－= Ni2+、Cu－2e－= Cu2＋ ，位于金属活动性顺序铜之后的金、银等金属杂质，因为失去电子能力比Cu弱，难以在阳极失去电子变成阳离子溶解下来，而以阳极泥的形式沉积下来，阳极泥可作为提炼金、银等贵重金属的原料。长时间电解后，电解质溶液必须补充。‎ ‎4.冶炼活泼金属：Na、Mg、Al等活泼金属都可用电解它们的熔融盐或氧化物制得。‎ ‎2NaCl 2Na +Cl2↑(制Na)‎ MgCl2Mg +Cl2↑(制Mg)‎ ‎2Al2O34Al+3O2↑(制Al)‎ ‎【典例分析】下列关于铜电极的叙述正确的是(　　)‎ A．铜锌原电池中铜是负极 B．用电解法精炼粗铜时，粗铜作阴极 C．在镀件上电镀铜时可用金属铜做阳极 D．电解稀硫酸制H2和O2时铜做阳极 答案 解析 C 铜锌原电池中锌活泼，锌做负极；电解精炼铜时，粗铜中的铜失去电子，做阳极；电镀铜时，应选用铜片做阳极，镀件做阴极，含有铜离子的溶液做电镀液。电解稀硫酸时，铜做阳极，失电子的是铜而不是溶液中的OH－，因而得不到氧气 ‎【达标练习】‎ ‎4. 下图中甲池是以甲醇为原料，KOH为电解质的高效燃料电池，电化学过程的如图。下列说法中不正确的是 （ ） ‎ A. 甲池的总反应式为：2CH3OH+3O2+4KOH＝2K2CO3+6H2O ‎ B. 若乙池中为足量AgNO3溶液，则阳极的电极反应为: 4OH--4e- = 2H2O+O2↑‎ C. 若乙池中为一定量CuSO4溶液,通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH,则电解过程中转移的电子数为0.2NA D. 常温常压下，‎1 g CH3OH燃料生成CO2和液态H2O时放热22.68 kJ,表示该反应的热化学方程式为:CH3OH(l)+1.5O2(g)==CO2(g)+2H2O(l) ΔH= -725.80 kJ·mol-1‎ ‎5. （1）全钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如图所示：‎ 当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式为 ；充电过程中，右槽溶液颜色逐渐由 色变为 色；放电过程中氢离子的作用是 和 ；充电时若转移的电子数为3.011023个，左槽溶液中n(H+)的变化量为 。‎ ‎(2) 以碘为原料，通过电解制备碘酸钾的实验装置如图所示：‎ 电解前，先将一定量的精制碘溶于过量氢氧化钾溶液，溶解时发生反应：3I2+6KOH=5KI ‎+KIO3+3H2O，将该溶液加入阳极区。另将氢氧化钾溶液加入阴极区，电解槽用水冷却。电解时，阳极上发生反应的电极反应式为 ；阴极上观察到的实验现象是 。‎ ‎（3）以铝材为阳极，在H2SO4 溶液中电解，铝材表面形成氧化膜，阳极电极反应为____。取少量废电解液，加入NaHCO，溶液后产生气泡和白色沉淀，产生沉淀的原因是_____ 。镀铜可防止铁制品腐蚀，电镀时用铜而不用石墨作阳极的原因是______ 。‎ ‎6. （1）镀铝电解池中，金属铝为 极，熔融盐电镀中铝元素和氯元素主要以AlCl4― 和Al2Cl7―形式存在，铝电镀的主要电极反应式为 。钢材镀铝后，表面形成的致密氧化铝膜能防止钢材腐蚀，其原因是 。‎ ‎（2）电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图见下图（电解池中隔膜仅阻止气体通过，阴、阳极均为惰性电极）。电解时，阳极的电极反应式为 。‎ ‎（3）电镀时，镀件与电源的________极连接。化学镀的原理是利用化学反应生成金属单质沉积在镀件表面形成镀层。①若用铜盐进行化学镀铜，应选用________(填“氧化剂”或“还原剂”)与之反应。②某化学镀铜的反应速率随镀液pH变化如图所示。该镀铜过程中，镀液pH控制在12.5左右。据图中信息，给出使反应停止的方法：______________________。‎ 题号 答案 解析 ‎4‎ C A、根据装置图可知甲池是燃料电池，甲醇在负极失去电子，氧气在正极得到电子。由于电解质是氢氧化钾溶液，因此总的反应式为2CH3OH+3O2+4KOH＝2K2CO3+6H2O，A正确；B、若乙池中为足量AgNO3溶液，则阳极是氢氧根离子放电，电极反应为4OH--4e-＝2H2O+O2↑，B正确；C、若乙池中为一定量CuSO4溶液,通电一段时间后，向所得的溶液中加入0.1mol Cu(OH)2后恰好恢复到电解前的浓度和pH，这说明阴极开始是铜离子放电，析出铜，在后阶段溶液中的氢离子也放电生成氢气，但阳极始终是氢氧根离子放电生成氧气，所以根据氧原子守恒可知生成0.1mol氧气，则电解过程中转移的电子数为0.4NA，C错误；D、常温常压下，‎1 g CH3OH燃料生成CO2和液态H2O时放热22.68 kJ,则1mol甲醇即‎32g甲醇生成CO2和液态H2O时放热22.68 kJ×32＝725.8kJ，则表示该反应 的热化学方程式为:CH3OH(l)+1.5O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH= -725.80 kJ·mol-1，D正确 ‎5‎ ‎(1) ①②绿，紫③参与正极反应；通过交换膜定向移动使电流通过溶液；0.5mol ‎（2）‎ ‎，有气泡产生 ‎①左槽中，黄变蓝即为生成，V的化合价从+5降低为+4，得一个电子，0原子减少，从图中知，其中发生了移动，参与反应，由此写成电极反应式。②作为原电池，左槽得电子，而右槽失电子。充电作为电解池处理，有槽中则为得电子，对应化合价降低，即为生成，颜色由绿生成紫。③‎ ‎（3）2Al+3H2O-6e –‎ ‎=Al2O3+6H+；因为 Al3+和HCO3-发生了互促水解，Al3++3HCO3-== Al(OH)3↓+CO2↑ (2)阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+‎ 由电极反应式知，参与了反应。溶液中离子的定向移动可形成电流。n=N/NA=3.01×/6.02×=0.5mol。（2）阳极发生氧化反应失电子。阴极区加入氢氧化钾溶液，电解氢氧化钾实质是电解水。（3）阳极是Al发生氧化反应，要生成氧化膜还必须有H2O参加，故电极反应式为：2Al+3H2O-6e -=Al2O3+6H+；加入NaHCO3溶液后产生气泡和白色沉淀，是由于废电解液中含有Al3+，和HCO3-发生了互促水解。电镀时，阳极Cu可以发生氧化反应生成Cu2+‎ ‎6‎ ‎（1）阳极，Al +7 AlCl4――3e－＝4Al2Cl7―；致密的氧化铝膜能隔绝钢材与空气中的O2、CO2和H2O等接触，使电化学腐蚀和化学腐蚀不能发生 ‎（2）CO(NH2)2＋8OH－－6e－＝CO32－＋N2↑＋6H2O ‎（3）负；①还原剂②调节溶液pH在8～9之间 ‎（1）既然是镀铝，所以铝必需作阳极，由于熔融盐中铝元素和氯元素主要以AlCl4― 和Al2Cl7―形式存在，所以阳极的电极反应式为Al +7 AlCl4――3e－＝4Al2Cl7―。铝在空气中易形成一层极薄的致密而坚固的氧化膜，它能阻止内部的金属继续被氧化，起到防腐蚀保护作用。（2）阳极发生氧化反应，只能是尿素中氮失去电子元素化合价升高，生成氮气，碳元素在碱性溶液中变成CO32－。（3）电镀池中，镀件与电源的负极相连，待镀金属为阳极与电源正极相连。①要把铜从铜盐中置换出来，则应加入还原剂。②根据图示信息，pH＝8～9之间，反应速率为0‎ 三、金属的腐蚀与保护 ‎【知识梳理】‎ ‎1．金属的腐蚀的定义：金属的腐蚀指金属或合金周围接触到气体或液体，失去电子被氧化而消耗进行化学反应而腐蚀损耗的过程。‎ ‎2．金属的腐蚀的实质：金属原子失去电子被氧化而消耗的过程。‎ ‎3．金属的腐蚀的分类：金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。‎ 化学腐蚀 电化腐蚀 一般条件 金属直接和强氧化剂接触 不纯金属，表面潮湿 反应过程 氧化还原反应，不形成原电池。‎ 因原电池反应而腐蚀 有无电流 无电流产生 有电流产生 反应速率 电化腐蚀＞化学腐蚀 结果 使金属腐蚀 使较活泼的金属腐蚀 相互关系 化学腐蚀与电化学腐蚀往往同时发生，但电化学腐蚀更普遍危害更严重 ‎4．电化学腐蚀的常见类型：电化学腐蚀常分为吸氧腐蚀和析氢腐蚀。‎ 类型 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜酸性很弱或呈中性 水膜酸性较强 正极反应 O2+4e-+2H2O==4OH-‎ ‎2H++2e-==H2↑‎ 负极反应 Fe－2e-==Fe2+‎ Fe－2e-==Fe2+‎ 腐蚀作用 是主要的腐蚀类型，具有广泛性 发生在某些局部区域内 ‎5．金属的防护：‎ 方法 措施 金属表面覆盖保护层 涂矿物性油脂、油漆或覆盖搪瓷塑料；镀耐腐蚀的金属或合金；用化学方法钝化使金属表面形成一层致密的氧化物膜 电化学保护法 外加电流的阴极保护法(电解池原理)如钢闸门接低压直流电负极，石墨接电源正极作阳极，浸入水中； 牺牲阳极的阴极保护法(原电池原理)，如船壳上钉上锌块 改变金属的内部结构 普通钢铁加入铬、镍等转变为不锈钢等 ‎6．金属腐蚀快慢的规律：电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护腐蚀措施的腐蚀；同种金属的腐蚀在强电解质中>弱电解质中>非电解质中；泼性不同的两金属，活泼性差别越大，腐蚀越快；对同一电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，腐蚀越快。‎ ‎【典例分析】如图所示，将铁棒和石墨棒插入盛有饱和NaCl溶液的U型管中。下列分析正确的是 A．K1闭合，铁棒上发生的反应为2H＋＋2e－=H2↑‎ B．K1闭合，石墨棒周围溶液pH逐渐升高 C．K2闭合，铁棒不会被腐蚀，属于牺牲阳极的阴极保护法 D．K2闭合，电路中通过0.002NA个电子时，两极共产生0.001mol气体 答案 解析 B A、K1闭合构成原电池，铁棒是负极，铁失去电子，铁棒上发生的反应为Fe＋2e－=Fe2＋，错误；B、K1闭合构成原电池，铁棒是负极，铁失去电子，石墨棒是正极，溶液中的氧气得到电子转化为OH－，石墨棒周围溶液pH逐渐升高，正确；C、K2闭合构成电解池，铁棒与电源的负极相连，作阴极不会被腐蚀，属于外加电流的阴极保护法，错误；D、K2闭合构成电解池，铁棒与电源的负极相连，作阴极溶液中的氢离子放电生成氢气，石墨棒是阳极，溶液中的氯离子放电生成氯气，电路中通过0.002NA个电子时，两极均产生0.001mol气体，共计是0.002mol气体，错误 ‎【达标练习】‎ ‎7. 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．碳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 ‎8. 关于下图装置说法正确的是 ‎ ‎ ‎ A．装置中电子移动的途径是：负极®Fe ®M溶液®石墨®正极 B．若 M为NaCl溶液，通电一段时间后，溶液中可能有NaClO ‎ C．若M为FeCl2溶液，可以实现石墨上镀铁 D．若M是海水，该装置是通过“牺牲阳极的阴极保护法”使铁不被腐蚀 题号 答案 解析 ‎7‎ B 根据题意知，甲装置为电解池，石墨作阳极，电极反应式为4OH- - 4e- =O2↑ + 2H2O，铁作阴极，电极反应式为2H+ + 2e-= H2↑；乙装置为原电池，铁作负极，电极反应式为Fe - 2e- =Fe2+，石墨作正极，电极反应式为2H+ + 2e-= H2↑；A、甲为阴极电保护法，乙为钢铁的析氢腐蚀，铁棒的腐蚀程度：甲<乙，正确；B、碳电极上发生反应的电极反应式不同，错误；C、甲为电解水装置，硫酸的浓度增大，PH减小，乙的电池反应为2H+ + Fe= H2↑+Fe2+，溶液的pH增大，正确；D、根据电极反应式计算，甲乙产生气体的体积(相同条件)比为3：2，正确 ‎8‎ B A．装置中电子移动的途径是：负极到Fe 电极；然后是溶液中的阴离子在阳极石墨放电到电源的正极，错误；B．若 M为NaCl溶液，通电一段时间后，阳极产生H2，溶液中的NaOH与阳极产生的Cl2发生反应产生NaCl和NaClO，所以溶液中可能有NaClO，正确；C．若M为FeCl2溶液，在阳极溶液中的Fe2+失去电子变为Fe3+，所以不可能实现石墨上镀铁，错误；D．若M是海水，该装置是电解池，是外接电源的阴极保护方法使铁不被腐蚀，不是 “牺牲阳极的阴极保护法”，错误