2020届二轮复习电解池金属的腐蚀与防护学案

2020届二轮复习电解池金属的腐蚀与防护学案

第2课时　电解池 金属的腐蚀与防护 命题调研(2016～2019四年大数据)‎ ‎2016～2019四年考向分布 核心素养与考情预测 核心素养：模型认知、变化推理、科学创新 考情解码：本部分主要考查电解池的电极方程式和电解方程式的书写两个知识点，难点是从氧化还原反应出发，结合电解质中离子种类的实际情况，利用电荷守恒和元素守恒书写电极方程式。题目以科学研究中或者工业上的某个电解操作为背景，起点高，落点低，题型为填空题，难度中等。预测2020年选考仍为电极方程式和电解方程式书写的考查。‎ 真题重现 ‎1.(2019·浙江4月选考节选)以铂阳极和石墨阴极设计电解池，通过电解NH4HSO4溶液产生(NH4)2S2O8，再与水反应得到H2O2，其中生成的NH4HSO4可以循环使用。‎ ‎(1)阳极的电极反应式是___________________________________________。‎ ‎(2)制备H2O2的总反应方程式是____________________________________。‎ 解析　根据题意可知，阳极SO失电子被氧化为S2O，电极反应式为2SO－2e－===S2O，生成的S2O又与H2O反应生成H2O2和SO，故总反应方程式为2H2OH2O2＋H2↑。‎ 答案　(1)2HSO－2e－===S2O＋2H＋或2SO－2e－===S2O　(2)2H2OH2O2＋H2↑‎ ‎2.(2018·浙江11月选考节选)高铁酸钾(K2FeO4)可用作水处理剂。某同学通过“化学—电解法”探究K2FeO4的合成，其原理如图所示。接通电源，调节电压，将一定量Cl2通入KOH溶液，然后滴入含Fe3＋的溶液，控制温度，可制得K2FeO4。‎ ‎(1)请写出“化学法”得到FeO的离子方程式___________________________‎ ‎_________________________________________________________________。‎ ‎(2)请写出阳极的电极反应式(含FeO)______________________________‎ ‎______________________________________________________________。‎ 解析　(1)将一定量Cl2通入KOH溶液，生成KCl和KClO，KClO具有强氧化性，将Fe3＋氧化为FeO，然后根据碱性环境，配平即可，得到2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O或2Fe(OH)3＋3ClO－＋4OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O；‎ ‎(2)阳极失电子，反应物为Fe3＋产物为FeO，然后根据碱性环境及守恒规则，易写出Fe3＋＋8OH－－3e－===FeO＋4H2O或Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O。‎ 答案　(1)2Fe3＋＋3ClO－＋10OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O或2Fe(OH)3＋3ClO－＋4OH－===2FeO＋3Cl－＋5H2O ‎(2)Fe3＋＋8OH－－3e－===FeO＋4H2O或Fe(OH)3＋5OH－－3e－===FeO＋4H2O ‎3.(2018·浙江4月选考节选)以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料，通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]，装置如图所示。‎ ‎(1)收集到(CH3)4NOH的区域是________(填a、b、c或d)。‎ ‎(2)写出电池总反应________________________________________________‎ ‎_______________________________________________________________。‎ 解析　(1)根据所给信息，阴极发生：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－；阳极发生：2Cl－－2e－===Cl2↑，根据阳离子交换膜只允许阳离子通过，所以收集到产物(CH3)4NOH的区域是d。(2)根据参与电极反应的物质实际上是H2O和(CH3)4NCl，产物是(CH3)4NOH和H2与Cl2，写出电池总反应为：2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋Cl2↑＋H2↑。‎ 答案　(1)d　(2)2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋Cl2↑＋H2↑‎ ‎4.(2017·浙江11月选考节选)科学家发现，以H2O和N2为原料，熔融NaOH－KOH为电解质，纳米Fe2O3作催化剂，在250 ℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生的变化可视为按两步进行，请补充完整。‎ 电极反应式：_____________________________________________________‎ 和2Fe＋3H2O＋N2===2NH3＋Fe2O3。‎ 解析　以H2O和N2为原料，熔融NaOH－KOH为电解质，纳米Fe2O3作催化剂，在250 ℃和常压下可实现电化学合成氨。阴极区发生还原反应，根据其中一个反应2Fe＋3H2O＋N2===Fe2O3＋2NH3，可知，Fe2O3作催化剂，首先转化为铁，因此电极反应式为Fe2O3＋6e－＋3H2O===2Fe＋6OH－。‎ 答案　Fe2O3＋3H2O＋6e－===2Fe＋6OH－‎ 考向一　电解池的工作原理 ‎1.某小组为研究电化学原理，设计了甲、乙、丙三种装置(C1、C2、C3均为石墨)。下列叙述正确的是(　　)‎ A.甲、丙中化学能转化为电能，乙中电能转化为化学能 B.C1、C2分别是阳极、阴极；锌片、铁片上都发生氧化反应 C.C1上和C3上放出的气体相同，铜片上和铁片上放出的气体也相同 D.甲中溶液的pH逐渐增大，丙中溶液的pH逐渐减小 解析　A项，甲没有外接电源，是将化学能转化为电能的装置，为原电池；乙、丙有外接电源，是将电能转化为化学能的装置，为电解池，错误。B项，C1、C2分别连接电源的正、负极，分别是电解池的阳极、阴极；锌片作负极发生氧化反应，铁片作阴极发生还原反应，错误。C项，C1和C3都是阳极，氯离子在阳极上失电子生成氯气，铜片上和铁片上都是氢离子得电子生成氢气，正确。D项，甲中正极和丙中阴极上都是氢离子得电子生成氢气，随着反应的进行，溶液的pH均增大，错误。‎ 答案　C 备考策略 电解池工作原理(阳极为惰性电极)示意图 考向二　电极方程式的书写和电解产物的判断 ‎2.次磷酸(H3PO2)是一种精细磷化工产品，具有较强还原性。H3PO2也可用电渗析法制备，“四室电渗析法”工作原理如图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)：‎ ‎(1)写出阳极的电极反应式___________________________________________。‎ ‎(2)分析产品室可得到H3PO2的原因__________________________________‎ ‎________________________________________________________________。‎ ‎(3)早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2：将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室。其缺点是产品中混有________杂质，该杂质产生的原因是 ‎___________________________________________________________________。‎ 解析　(1)由题给装置可知阳极反应式为2H2O－4e－===4H＋＋O2↑。(2)阳极生成的H＋穿过阳膜扩散至产品室，与从原料室穿过阴膜扩散至产品室的H2PO反应生成H3PO2。(3)若取消阳极室与产品室之间的阳膜，合并阳极室和产品室，阳极生成的O2可将H3PO2或从原料室扩散来的H2PO氧化，造成产品中混入H3PO4杂质。‎ 答案　(1)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋‎ ‎(2)阳极室的H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的H2PO穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2‎ ‎(3)H3PO4　H2PO或H3PO2被氧化 备考策略 电解池中电极反应式的书写 ‎(1)根据装置书写 ‎①根据电源确定阴、阳两极→确定阳极是否是活性金属电极→据电极类型及电解质溶液中阴、阳离子的放电顺序写出电极反应式。‎ ‎②在确保阴、阳两极转移电子数目相同的条件下，将两极电极反应式合并即得总反应式。‎ ‎(2)由氧化还原反应方程式书写电极反应式 ‎①找出发生氧化反应和还原反应的物质→两极名称和反应物→利用得失电子守恒分别写出两极反应式。‎ ‎②若写出一极反应式，而另一极反应式不好写，可用总反应式减去已写出的电极反应式即得另一电极反应式。‎ ‎(3)电极反应式的书写——“二判二析一写”‎ 二判：①判断阴阳极；②判断是电极材料放电还是溶液中的离子放电。‎ 二析：①分析溶液中离子的种类；②根据离子放电顺序，分析电极反应。‎ 一写：根据电极产物，写出电极反应式。‎ 考向三　可充电电池 ‎3.(2018·温州高三适应性测试)随着各地“限牌”政策的推出，电动汽车成为汽车界的“新宠”。特斯拉全电动汽车使用的是钴酸锂(LiCoO2)电池，其工作原理如下图，A极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体)，电解质为一种能传导Li＋的高分子材料，隔膜只允许Li＋通过，电池反应式LixC6＋Li1－xCoO2C6＋LiCoO2。下列说法不正确的是(　　)‎ A.充电时Li＋从右边流向左边 B.放电时，正极锂的化合价未发生改变 C.充电时B作阳极，该电极放电时的电极反应式为 Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－===LiCoO2‎ D.废旧钴酸锂(LiCoO2)电池进行“放电处理”让Li＋进入石墨中而有利于回收 解析　放电时：A(负极)：LixC6－xe－===xLi＋＋C6；‎ B(正极)：Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2。‎ 充电时：A(阴极)：xLi＋＋C6＋xe－===LixC6；B(阳极)：‎ LiCoO2－xe－===xLi＋＋Li1－xCoO2。‎ A项，充电时Li＋移向阴极，即从右边流向左边，正确；B项，放电时，正极锂的化合价仍为＋1价，化合价并没有发生变化，正确；C项正确；D项，根据电极反应式，应进行“充电处理”，才能使Li＋进入石墨中。‎ 答案　D 备考策略 ‎(1)对于可充电电池，放电时为原电池，符合原电池工作原理，负极发生氧化反应，正极发生还原反应；外电路中电子由负极流向正极，内电路中阳离子向正极移动，阴离子向负极移动。‎ ‎(2)可充电电池充电时为电解池，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应；充电时电池的“＋”极与外接直流电源的正极相连，电池的“－”极与外接直流电源的负极相连。‎ 考向四　电解的有关计算 ‎4.用下图装置模拟人工肾脏的工作原理，电解生成的Cl2将尿素[CO(NH2)2]氧化成N2排出，则下列说法错误的是(　　)‎ A.电源的正极为b B.尿素被氧化的化学方程式为CO(NH2)2＋3Cl2＋H2O===N2＋CO2＋6HCl C.电解结束后，阴极室溶液与电解前相比pH增大 D.阳极收集到Cl2 4.48 L(标准状况)时，被氧化的尿素为4.0 g 解析　电极反应式为a(阴极)：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，b(阳极)：2Cl－－2e－===Cl2↑，A项正确；3Cl2＋CO(NH2)2＋H2O===N2＋CO2＋6HCl，B项正确；C项，阴极区电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，每转移2 mol的电子，就会产生1 mol H2和2 mol OH－，这时就有2 mol H＋通过离子交换膜从阳极区到阴极区，因此溶液的pH不会发生变化；D项，0.2 mol Cl2氧化CO(NH2)2的质量为×60 g·mol－1＝4.0 g，正确。‎ 答案　C 备考策略 电化学以氧化还原反应为前提，涉及的计算包括两极产物的定量计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数测定的计算、根据电子的量求产物的量和根据产物的量求电子的量等的计算。不论哪类计算，均可概括为下列三种方法：‎ ‎(1)根据总反应式的计算。先写出电极反应式，再写出总反应式，然后根据总反应式列比例式计算。‎ ‎(2)守恒法计算。用于串联电路，阴阳两极产物、正负两极产物等类型的计算其依据是电路中转移的电子数守恒。‎ ‎(3)根据关系式计算：借得失电子守恒关系建立已知量与未知量直接的桥梁，建立计算所需的关系式。‎ 考向五　金属的腐蚀与防护 ‎5.(2018·浙江桐乡一中高二下期中)利用下图装置进行实验，开始时，a、b两处液面相平，密封好，放置一段时间。下列说法不正确的是(　　)‎ A.a管发生吸氧腐蚀，b管发生析氢腐蚀 B.一段时间后，a管液面高于b管液面 C.a处溶液的pH增大，b处溶液的pH减小 D.a、b两处具有相同的电极反应式：Fe－2e－===Fe2＋‎ 解析　根据装置图判断，左边铁丝发生吸氧腐蚀，右边铁丝发生析氢腐蚀，其电极反应为 左边　负极：Fe－2e－===Fe2＋‎ 正极：O2＋4e－＋2H2O===4OH－‎ 右边　负极：Fe－2e－===Fe2＋‎ 正极：2H＋＋2e－===H2↑‎ a、b处的pH均增大，C错误。‎ 答案　C ‎6.(2017·课标全国Ⅰ，11)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流的阴极保护法进行防腐，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 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正确；C项，题给信息高硅铸铁为“惰性辅助阳极”不损耗，错误。‎ 答案　C 备考策略 一、金属的腐蚀 金属腐蚀是金属与周围的气体或液体物质发生氧化还原反应而引起损耗的现象。金属腐蚀一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。‎ ‎1.化学腐蚀 金属跟接触到的干燥气体或非电解质液体(如石油)等直接发生化学反应而引起的腐蚀，这种腐蚀的速率随着温度的升高而加快。‎ ‎2.电化学腐蚀 不纯的金属接触电解质溶液时，会发生原电池反应，较活泼的金属失去电子而被氧化所引起的腐蚀。‎ 二、电化学腐蚀的分类 以铁的腐蚀为例 吸氧腐蚀 析氢腐蚀 条件 水膜呈弱酸性或中性 水膜呈较强酸性 正极反应式 O2＋2H2O＋4e－===4OH－‎ ‎2H＋＋2e－===H2↑‎ 负极反应式 ‎2Fe－4e－===2Fe2＋‎ Fe－2e－===Fe2＋‎ 总反应式 ‎2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2‎ Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑‎ 三、金属的防护 ‎1.电化学保护法 ‎(1)牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理 在被保护的钢铁设备上装上若干活泼金属如镁合金或锌块，作原电池的负极(阳极)；让被保护的金属作原电池的正极(阴极)。‎ ‎(2)外加电流的阴极保护法 用被保护的金属作阴极，用惰性电极作阳极，外接直流电源。‎ ‎2.其他方法 ‎(1)改变金属内部结构，如制成防腐的合金；‎ ‎(2)加涂保护层，如喷油漆、涂油脂。‎ ‎1.(2018·浙江金丽衢十二校高三上节选)已知：2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O。以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置示意图如下 ‎(1)a为电源的________(填“正极”或“负极”)。‎ ‎(2)该制备过程总反应的化学方程式为__________________________________‎ ‎________________________________________________________________。‎ 解析　(1)在KOH、K2CrO4溶液中含有的阳离子是有H＋、K＋，由于放电能力H＋>K＋，所以H＋在阴极获得电子变为H2；溶液中含有的阴离子OH－在阳极失去电子变为O2。阴极连接电源的负极，阳极连接电源正极，所以a为负极，b为正极。‎ ‎(2)H＋在阴极放电产生H2逸出，使附近溶液中c(OH－)增大，溶液的碱性增强，在阳极上溶液中的OH－放电产生O2放出，阳极附近c(H＋)增大，平衡2CrO＋2H＋Cr2O＋H2O正向移动，可反应产生Cr2O，所以根据得失电子守恒、原子守恒，可得该电解反应的总反应方程式为4K2CrO4＋4H2O2K2Cr2O7＋2H2↑＋O2↑＋4KOH。‎ 答案　(1)负极　(2)4K2CrO4＋4H2O2K2Cr2O7＋2H2↑＋O2↑＋4KOH ‎2.(2018·丽衢湖高三上节选)以多孔石墨为阳极，以NaCl和NaOH的混合溶液作电解液，用电解法由甲烷制取甲醇。写出阳极的电极反应式：________________。‎ 解析　电解池的阳极发生失去电子的氧化反应，则阳极是甲烷失去电子转化为甲醇，由于电解质溶液显碱性，则阳极的电极反应式为CH4＋2OH－－2e－===CH3OH＋H2O。‎ 答案　CH4＋2OH－－2e－===CH3OH＋H2O ‎3.(2019·浙江绿色评价3月节选)电解饱和食盐水可以制备ClO2，其原理如图，阳极的电极反应式为__________________，C物质的名称为 __________。‎ 解析　由题意可知，钠离子移向阴极，A为阳极，阳极的电极反应是氯离子放电生成ClO2，由元素守恒可知，有水参加反应，同时生成氢离子，电极反应为：Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋，阴极反应是氢离子得到电子生成氢气，电极附近氢氧根离子浓度增大，C为浓的氢氧化钠溶液。‎ 答案　Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋　氢氧化钠浓溶液 ‎4.(2018·嘉兴高三上9月节选)世界水产养殖协会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。请写出阴极的电极反应式________。‎ 解析　根据电解的原理，阴极上得到电子，发生还原反应，根据装置图，NO在阴极上放电，电解质环境为酸性，因此阴极反应式为2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O。‎ 答案　2NO＋12H＋＋10e－===N2↑＋6H2O ‎5.(2018·浙江稽阳高三联考节选)‎ 电渗析法处理厨房垃圾发酵液，同时得到乳酸的原理如下图所示(图中“HA”表示乳酸分子，A－表示乳酸根离子)。‎ ‎(1)阳极的电极反应式为__________________________________________。‎ ‎(2)电解过程中，采取一定的措施可控制阳极室的pH约为6～8，此时进入浓缩室的OH－可忽略不计。400 mL 10 g/L 乳酸溶液通电一段时间后，浓度上升为 145 g/L(溶液体积变化忽略不计)，则阴极上产生的H2在标准状况下的体积约为________ L。(乳酸的摩尔质量为90 g/mol)‎ 解析　(1)阳极的电极反应式为：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑或2H2O－4e－===O2↑＋4H＋；(2)在阳极上发生电极反应：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，阴极上发生电极反应：2H＋＋2e－===H2↑，根据电极反应方程式，则有：HA～H＋～H2，根据差值法，乳酸的浓度变化量是＝1.5 mol/L，即生成HA的物质的量是1.5 mol/L×0.4 L＝0.6 mol，所以产生氢气是0.3 mol即0.3 mol×22.4 L/mol＝6.72 L。‎ 答案　(1)4OH－－4e－===2H2O＋O2↑或2H2O＋4e－===O2↑＋4H＋　(2)6.72‎ ‎6.(2019·台州一模节选)电解稀硫酸制备O3(原理如图)，则产生O3的电极反应式为______________。‎ 解析　由图可知，B极生成O2、O3，B极反应为氧化反应，电解池阳极发生氧化反应，故A为阴极，B为阳极，C处通入O2，O2发生还原反应，在酸性条件下生成水；因此生成O3的电极反应式为：3H2O－6e－===O3↑＋6H＋。‎ 答案　3H2O－6e－===O3↑＋6H＋‎