江苏专用201X版高考化学一轮复习 专题6 化学反应与能量变化 3 第三单元 电解原理 金属的腐.docx
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江苏专用201X版高考化学一轮复习专题6化学反应与能量变化3第三单元电解原理金属的腐
第三单元 电解原理 金属的腐蚀与防护
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。
电解原理
[知识梳理]
1.电解
使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阴、阳两极引起氧化还原反应的过程。
2.电解池(也叫电解槽)
电解池是把电能转化为化学能的装置。
3.电解池的组成和工作原理(以电解CuCl2溶液为例)
总反应方程式:
CuCl2
Cu+Cl2↑。
4.电子和离子移动方向
(1)电子:
从电源的负极流向电解池的阴极;从电解池的阳极流向电源的正极。
(2)离子:
阳离子移向电解池的阴极;阴离子移向电解池的阳极。
5.分析电解过程的思维程序
(1)首先判断阴、阳极,分析阳极材料是惰性电极还是活泼电极。
(2)其次分析电解质水溶液的组成,找全离子并分阴、阳两组(不要忘记水溶液中的H+和OH-)。
排出阴、阳两极的放电顺序。
阴极:
Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Pb2+>Sn2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+>Ca2+>K+。
阳极:
活泼电极>S2->I->Br->Cl->OH->含氧酸根离子。
(3)然后分析电极反应,判断电极产物,写出电极反应式,要注意遵循原子守恒和电荷守恒。
(4)最后写出电解反应的总化学方程式或离子方程式。
6.电解规律(用惰性电极电解)
电解质
电极反应式
被电解
总化学方程式
电解质
溶液
电解质溶
(水溶液)
的物质
或离子方程式
浓度
pH
液复原方法
含氧酸
(如H2SO4)
阳极:
2H2O-4e-===
4H++O2↑
阴极:
4H++4e-===2H2↑
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
减小
加H2O
强碱
(如NaOH)
阳极:
4OH--4e-===
O2↑+2H2O
阴极:
4H2O+4e-===
2H2↑+4OH-
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
增大
加H2O
活泼金属
的含氧酸盐
(如KNO3、
Na2SO4)
阳极:
4OH--4e-===
O2↑+2H2O
阴极:
4H++4e-===2H2↑
水
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
不变
加H2O
无氧酸
(如HCl,
除HF外)
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
酸
2HCl
Cl2↑+H2↑
减小
增大
通入HCl气体
不活泼金属
的无氧酸盐
(如CuCl
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
Cu2++2e-
盐
CuCl2
Cu+Cl2↑
减小
加CuCl2固体
2,
除氟化物外)
===Cu
活泼金属的
无氧酸盐
(如NaCl)
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
水和盐
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
生成新
电解质
增大
通入HCl气体
不活泼金属
的含氧酸盐
(如CuSO4)
阳极:
2H2O-4e-===4H+
+O2↑
阴极:
2Cu2++4e-===2Cu
水和盐
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
生成
新电
解质
减小
加CuO或
CuCO3
[自我检测]
1.按要求书写有关的电极反应式及总反应式。
(1)用惰性电极电解AgNO3溶液
阳极反应式:
___________________________________________;
阴极反应式:
___________________________________________;
总反应离子方程式:
_____________________________________。
(2)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
___________________________________________;
阴极反应式:
___________________________________________;
总反应离子方程式:
_____________________________________。
(3)用铜作电极电解NaCl溶液
阳极反应式:
___________________________________________;
阴极反应式:
___________________________________________;
总化学方程式:
_________________________________________。
(4)用铜作电极电解盐酸
阳极反应式:
___________________________________________;
阴极反应式:
___________________________________________;
总反应离子方程式:
_____________________________________。
答案:
(1)2H2O-4e-===4H++O2↑
4Ag++4e-===4Ag
4Ag++2H2O
4Ag+O2↑+4H+
(2)2Cl--2e-===Cl2↑ 2H++2e-===H2↑
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(3)Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
Cu+2H2O
Cu(OH)2+H2↑
(4)Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
Cu+2H+
Cu2++H2↑
2.(教材改编)下列关于铜电极的叙述正确的是( )
A.铜锌原电池中铜一般作负极
B.电解熔融氯化钠制钠时用铜作阳极
C.在镀件上电镀铜时用金属铜作阳极
D.电解稀硫酸制H2、O2时铜作阳极
解析:
选C。
A项,锌比铜活泼,故铜一般作正极,错误;B项,电解熔融氯化钠时用铜作阳极,阳极上Cl-不能失电子生成Cl2,错误;C项,电镀时,待镀金属作阴极,镀层金属为阳极,正确;D项,电解H2SO4制H2、O2时,阳极必为惰性电极,错误。
(1)阴极不管是什么材料,电极本身都不反应,一定是电解质溶液(或熔融电解质)中的阳离子放电。
(2)最常用、最重要的放电顺序是阳极:
Cl->OH-;阴极:
Ag+>Cu2+>H+。
(3)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。
(2016·高考全国卷Ⅰ,11,6分)三室式电渗析法处理含Na2SO4废水的原理如图所示,采用惰性电极,ab、cd均为离子交换膜,在直流电场的作用下,两膜中间的Na+和SO
可通过离子交换膜,而两端隔室中离子被阻挡不能进入中间隔室。
下列叙述正确的是( )
A.通电后中间隔室的SO
离子向正极迁移,正极区溶液pH增大
B.该法在处理含Na2SO4废水时可以得到NaOH和H2SO4产品
C.负极反应为2H2O-4e-===O2+4H+,负极区溶液pH降低
D.当电路中通过1mol电子的电量时,会有0.5mol的O2生成
[解析] 该装置为电解池。
H2O在正(阳)极区放电,生成O2和H+,正(阳)极区溶液pH减小,中间隔室中的阴离子SO
通过cd离子交换膜移向正(阳)极,故正(阳)极区可得到H2SO4;当电路中通过1mol电子时生成0.25molO2;H2O在负(阴)极区放电,生成OH-和H2,负(阴)极区溶液pH增大,中间隔室中的阳离子Na+通过ab离子交换膜移向负(阴)极,故负(阴)极区可得到NaOH,A、C、D项错误,B项正确。
[答案] B
上述例题中装置不变,若向中间隔室里加入的是含NaNO3废水,则两端隔室分别得到什么产物?
若是含NaCl废水呢?
答案:
加入含NaNO3废水时,阳极室得到O2和HNO3,阴极室得到NaOH和H2;加入含NaCl废水时,阳极室得到Cl2,阴极室得到NaOH和H2。
题组一 电解原理和电解规律的考查
1.以石墨为电极,电解KI溶液(含有少量的酚酞和淀粉)。
下列说法错误的是( )
A.阴极附近溶液呈红色
B.阴极逸出气体
C.阳极附近溶液呈蓝色
D.溶液的pH变小
解析:
选D。
以石墨为电极,电解KI溶液,阴离子在阳极的放电能力:
I->OH-。
阳离子在阴极的放电能力:
H+>K+。
所以该电解反应的方程式是2KI+2H2O
I2+H2↑+2KOH。
由于在溶液中含有少量酚酞和淀粉,所以在阳极附近淀粉遇碘单质变为蓝色;在阴极逸出H2,由于产生OH-,溶液显碱性,使酚酞溶液变为红色。
因为产生了碱,溶液碱性增强,所以溶液的pH变大。
2.(2018·唐山高三检测)用石墨电极电解CuCl2溶液(见下图)。
下列分析正确的是( )
A.a端是直流电源的负极
B.通电使CuCl2发生电离
C.阳极上发生的反应:
Cu2++2e-===Cu
D.通电一段时间后,在阴极附近观察到黄绿色气体
解析:
选A。
A项铜离子移向阴极,则a为负极。
B项CuCl2发生电离是在水分子的作用下完成的,并非通电才能发生。
C项反应Cu2++2e-===Cu应在阴极上发生,阳极上发生的反应应为2Cl--2e-===Cl2↑。
D项通电一段时间后,应在阳极附近观察到黄绿色气体。
题组二 电极反应式的书写
3.(2015·高考四川卷)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
解析:
选D。
A.由题干信息可知Cl-在阳极放电生成ClO-,则阳极应为惰性电极,A项正确;B.Cl-在阳极放电生成ClO-,Cl的化合价升高,故在阳极发生氧化反应,又已知该溶液呈碱性,B项正确;C.阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应,在碱性条件下,H2O提供阳离子(H+),C项正确;D.由于溶液是碱性条件,故除去CN-发生的反应为2CN-+5ClO-+H2O===N2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-,D项错误。
4.
(1)PbO2可以通过石墨为电极,Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液为电解液电解制取。
阳极发生的电极反应式为____________________________,阴极上观察到的现象是__________________________________;
若电解液中不加入Cu(NO3)2,阴极发生的电极反应式为________________________,
这样做的主要缺点是_________________________________________。
(2)将烧碱吸收H2S后的溶液加入如图所示的电解池的阳极区进行电解。
电解过程中阳极区发生如下反应:
S2--2e-===S (n-1)S+S2-===S
①写出电解时阴极的电极反应式:
__________________________________________。
②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,其离子方程式可写成:
__________________________________________。
解析:
(1)阳极发生氧化反应,即Pb2+失去电子被氧化生成PbO2,同时考虑盐溶液水解得到的强酸性环境;阴极发生还原反应,即氧化性强的Cu2+得到电子生成铜;若电解液中不加入Cu(NO3)2,阴极Pb2+得电子变为Pb,这样就不能有效利用Pb2+。
(2)①在阴极电解质溶液是NaOH,同时图中显示产生了H2,因此阴极发生的电极反应为2H2O+2e-===H2↑+2OH-;②加入H2SO4后,H+与S
反应生成S和H2S。
答案:
(1)Pb2++2H2O-2e-===PbO2+4H+ 石墨上包上铜镀层 Pb2++2e-===Pb 不能有效利用Pb2+
(2)①2H2O+2e-===H2↑+2OH-
②S
+2H+===(n-1)S↓+H2S↑
电解池电极反应式的书写——“二判二析一写”
题组三 有关电解的计算
5.(2018·开封高三模拟)用两支惰性电极插入CuSO4溶液中,通电电解,当有1×10-3mol的OH-放电时,溶液显浅蓝色,则下列叙述正确的是( )
A.阳极上析出3.6mLO2(标准状况)
B.阴极上析出32mgCu
C.阴极上析出11.2mLH2(标准状况)
D.阳极和阴极质量都无变化
解析:
选B。
用惰性电极电解CuSO4溶液时,电极反应为阴极:
2Cu2++4e-===2Cu,阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O。
当有1×10-3mol的OH-放电时,生成标准状况下的O2为5.6mL,在阴极上析出32mgCu,阴极质量增加。
6.在如图所示的装置中,若通直流电5min时,铜电极质量增加2.16g。
试回答下列问题:
(1)电源中X为直流电源的________极。
(2)pH变化:
A________,B________,C________。
(填“增大”“减小”或“不变”)
(3)通电5min时,B中共收集224mL(标准状况下)气体,溶液体积为200mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为________(设电解前后溶液体积无变化)。
(4)若A中的KCl足量且溶液的体积也是200mL,电解后,溶液的pH为________(设电解前后溶液体积无变化)。
解析:
(1)三个装置是串联的电解池。
电解AgNO3溶液时,Ag+在阴极发生还原反应生成Ag,所以质量增加的铜电极是阴极,则银电极是阳极,Y是正极,X是负极。
(2)电解KCl溶液生成KOH,溶液pH增大;电解CuSO4溶液生成H2SO4,溶液pH减小;电解AgNO3溶液,银为阳极,不断溶解,Ag+浓度基本不变,pH不变。
(3)通电5min时,C中析出0.02molAg,电路中通过0.02mol电子。
B中共收集0.01mol气体,若该气体全为氧气,则电路中需通过0.04mol电子,电子转移不守恒。
因此,B中电解分为两个阶段,首先电解CuSO4溶液,生成O2和Cu,然后电解水,生成O2和H2,B中收集到的气体是O2和H2的混合物。
设电解CuSO4溶液时生成O2的物质的量为x,电解H2O时生成O2的物质的量为y,生成H2的物质的量为2y,则4x+4y=0.02mol(电子转移守恒),x+3y=0.01mol(气体物质的量之和),解得x=y=0.0025mol,所以n(CuSO4)=2×0.0025mol=0.005mol,c(CuSO4)=0.005mol÷0.2L=0.025mol·L-1。
(4)通电5min时,A中放出0.01molH2,溶液中生成0.02molKOH,c(OH-)=0.02mol÷0.2L=0.1mol·L-1,pH=13。
答案:
(1)负
(2)增大 减小 不变
(3)0.025mol·L-1 (4)13
解电解计算题的常用方法
电解原理的应用
[知识梳理]
1.电解饱和食盐水
(1)电极反应
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑(反应类型:
氧化反应);
阴极:
2H++2e-===H2↑(反应类型:
还原反应)。
(2)总反应方程式:
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑;
离子方程式:
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑。
(3)应用:
氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。
2.电镀和电解精炼铜
电镀(以Fe
上镀Cu为例)
电解精炼铜
阳极
电极
材料
镀层金属铜
粗铜(含Zn、Fe、
Ni、Ag、Au等杂质)
电极
反应
Cu-2e-===Cu2+
Zn-2e-===Zn2+、
Fe-2e-===Fe2+、
Ni-2e-===Ni2+、
Cu-2e-===Cu2+
阴极
电极
材料
待镀金属铁
纯铜
电极
反应
Cu2++2e-===Cu
电解质溶液
含Cu2+的盐溶液
注:
(1)电镀时,溶液中离子浓度保持不变;
(2)电解精炼铜时,粗铜中的Ag、Au等不反应,沉积在电解池底部形成阳极泥
3.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Ca、Na、Mg、Al等。
(1)冶炼钠:
2NaCl
2Na+Cl2↑
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;
阴极:
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼镁:
MgCl2
Mg+Cl2↑
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;
阴极:
Mg2++2e-===Mg。
(3)冶炼铝:
2Al2O3
4Al+3O2↑
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;
阴极:
4Al3++12e-===4Al。
[自我检测]
1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)反应Cu+H2SO4===CuSO4+H2↑可以设计成电解池,但不能设计成原电池。
( )
(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。
( )
(3)根据得失电子守恒可知电解精炼铜时,阳极减少的质量和阴极增加的质量相等。
( )
(4)电解是把电能转变成化学能。
( )
(5)电解质溶液导电是化学变化,金属导电是物理变化。
( )
(6)任何水溶液电解时,必发生氧化还原反应。
( )
答案:
(1)√
(2)× (3)× (4)√ (5)√ (6)√
2.下列描述中,符合生产实际的是________(填序号)。
①电解熔融的氧化铝制取金属铝,用铁作阳极
②电解法精炼粗铜,用纯铜作阴极
③电解饱和食盐水制烧碱,用涂镍碳钢网作阴极
④在镀件上电镀锌,用锌作阳极
解析:
①中电解熔融的氧化铝制取金属铝,应用石墨作阳极,若用铁作阳极,铁会被氧化。
答案:
②③④
(2017·高考全国卷Ⅱ,11,6分)用电解氧化法可以在铝制品表面形成致密、耐腐蚀的氧化膜
,电解质溶液一般为H2SO4H2C2O4混合溶液。
下列叙述错误的是( )
A.待加工铝质工件为阳极
B.可选用不锈钢网作为阴极
C.阴极的电极反应式为Al3++3e-===Al
D.硫酸根离子在电解过程中向阳极移动
[解析] 利用电解氧化法在铝制品表面形成致密的Al2O3薄膜,即待加工铝质工件作阳极,A项正确;阴极与电源负极相连,对阴极电极材料没有特殊要求,可选用不锈钢网等,B项正确;电解质溶液呈酸性,阴极上应是H+放电,C项错误;在电解过程中,电解池中的阴离子向阳极移动,D项正确。
[答案] C
(2017·高考海南卷)一种电化学制备NH3的装置如图所示,图中陶瓷在高温时可以传输H+。
下列叙述错误的是( )
A.Pd电极b为阴极
B.阴极的反应式为N2+6H++6e-===2NH3
C.H+由阳极向阴极迁移
D.陶瓷可以隔离N2和H2
解析:
选A。
此装置为电解池,总反应是N2+3H2
2NH3,Pd电极b上是氢气失去电子化合价升高,Pd电极b为阳极,故A说法错误;根据A选项分析,Pd电极a为阴极,反应式为N2+6H++6e-===2NH3,故B说法正确;H+在阴极上与N2反应,则H+由阳极移向阴极,故C说法正确;根据装置图,陶瓷可以隔离N2和H2,故D说法正确。
题组一 电解原理的“常规”应用
1.
利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。
下列说法正确的是( )
A.氯碱工业中,X电极上反应式是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是纯铜
D.制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁
解析:
选D。
氯碱工业中阳极是Cl-放电生成Cl2;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极Cu2+放电析出Cu,由于粗铜中含有锌、铁、镍等杂质,溶液中Cu2+浓度变小;铁片上镀铜时,阴极应该是铁片,阳极是纯铜。
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+<Ni2+<Cu2+)( )
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,阳极质量的减少与阴极质量的增加相等
C.电解后,溶液中存在的金属阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt
解析:
选D。
阳极应发生氧化反应:
Ni-2e-===Ni2+,A错;由于Fe、Zn的还原性大于Ni,所以阳极同时还发生:
Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+,比较两电极反应,因Fe、Zn、Ni的相对原子质量不等,当两极通过的电量相等时,阳极减少的质量与阴极增加的质量不相等,B错;纯镍作阴极,电解质溶液中需含有Ni2+,因Ni2+的氧化性大于Fe2+和Zn2+,所以溶液中阳离子有Fe2+、Zn2+和Ni2+,C错;Cu、Pt还原性小于Ni,所以不反应,D正确。
题组二 电解原理的“不寻常”应用
3.(2018·泉州高三检测)工业上用电解法处理含镍酸性废水并得到单质Ni的原理如图所示。
已知:
①Ni2+在弱酸性溶液中发生水解
②氧化性:
Ni2+(高浓度)>H+>Ni2+(低浓度)
下列说法不正确的是( )
A.碳棒上发生的电极反应:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
B.电解过程中,B中NaCl溶液的物质的量浓度将不断减少
C.为了提高Ni的产率,电解过程中需要控制废水pH
D.若将图中阳离子膜去掉,将A、B两室合并,则电解反应总方程式发生改变
解析:
选B。
A项,电极反应式为阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,阴极:
Ni2++2e-===Ni、2H++2e-===H2↑,正确;B项,由于C中Ni2+、H+不断减少,Cl-通过阴离子膜从C移向B,A中OH-不断减少,Na+通过阳离子膜从A移向B,所以B中NaCl溶液的物质的量浓度不断增大,错误;C项,由于H+的氧化性大于Ni2+(低浓度)的氧化性,所以为了提高Ni的产率
,电解过程需要控制废水的pH,正确;D项,若去掉阳离子膜,在阳极Cl-放电生成Cl2,反应总方程式发生改变,正确。
4.
(1)根据2CrO
+2H+Cr2O
+H2O设计图示装置(均为惰性电极)电解Na2CrO4溶液制取Na2Cr2O7,图中右侧电极连接电源的______极,其电极反应式为_______________
________________________________________________________________________。
(2)电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如下:
电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴、阳两极均为惰性电极。
①A极为________,电极反应式为________________________________。
②B极为________,电极反应式为____________________