2024届鲁科版高考化学一轮复习第5章第3节电能转化为化学能——电解金属的电化学腐蚀与防护作业含答案

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第5章 第3节 电能转化为化学能——电解　金属的电化学腐蚀与防护
[基础练]
1．港珠澳大桥设计使用寿命为120年，对桥体钢构件采用了多种防腐方法。下列分析错误的是(　　)
A．防腐原理主要是避免发生反应：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2
B．钢构件表面喷涂环氧树脂涂层，是为了隔绝空气、水等防止形成原电池
C．采用外加电流法时需外接镁、锌等作辅助阳极
D．钢构件可采用不锈钢材料以减缓电化学腐蚀
解析：该桥体钢构件主要发生吸氧腐蚀，吸氧腐蚀的总反应为2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2，防腐原理主要是避免发生该反应，A正确；钢构件表面喷涂环氧树脂涂层，目的是将钢构件与空气、水隔绝，防止形成原电池，发生吸氧腐蚀，B正确；采用牺牲阳极法时需外接镁、锌等作辅助阳极，C错误；钢构件采用不锈钢材料，可以减缓电化学腐蚀，D正确。
答案：C
2．用如图所示装置(X、Y是直流电源的两极)分别进行下列各组实验，则下表中各项所列对应关系均正确的一项是(　　)

选项
X极
实验前U形管中液体
通电后现象及结论
A
正极
Na2SO4溶液
U形管两端滴入酚酞后，a管中呈红色
B
正极
AgNO3溶液
b管中电极反应式是4OH－－4e－===O2↑＋2H2O
C
负极
CuCl2溶液
b管中有气体逸出
D
负极
NaOH溶液
溶液pH降低
解析：电解Na2SO4溶液时，阳极上是OH－发生失电子的氧化反应，即a管中OH－放电，酸性增强，酸遇酚酞不变色，即a管中呈无色，A错误；电解AgNO3溶液时，阴极上是Ag＋发生得电子的还原反应，即b管中电极反应是析出金属Ag的反应，B错误；电解CuCl2溶液时，阳极上是Cl－发生失电子的氧化反应，即b管中Cl－放电，产生Cl2，C正确；电解NaOH溶液时，实际上电解的是水，导致NaOH溶液的浓度增大，碱性增强，pH升高，D错误。
答案：C
3．(2022·汕头市高三模拟)2021年3月5日，李克强总理在国务院政府报告中指出，扎实做好碳达峰、碳中和各项工作。科研工作者通过开发新型催化剂，利用太阳能电池将工业排放的CO2转化为CO，实现节能减排的目标。如图所示，下列有关说法正确的是(　　)

A．N极为阴极
B．离子交换膜为阴离子交换膜
C．阳极的电极反应式为CO2＋2e－＋2H＋===CO＋H2O
D．理论上该装置在工作时，H3PO4与KH2PO4缓冲溶液的pH保持不变
解析：由图示知，该装置外电路有光伏电池(将太阳能转化为电能)，故为电解池装置，在P极上，CO2得电子转化为CO，故P极为阴极，阴极电极反应式为：CO2＋2H＋＋2e－===CO＋H2O，需要缓冲溶液提供H＋，故离子交换膜为阳离子交换膜，阳极电极反应式为：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋。根据得失电子守恒和阴、阳极电极反应知，缓冲溶液流入阴极的H＋和阳极流入缓冲溶液的H＋数目相等，故缓冲溶液中c(H＋)保持不变，故pH保持不变，D正确。
答案：D
4．(2021·海南卷，9)液氨中存在平衡：2NH3NH＋NH。如图所示为电解池装置，以KNH2的液氨溶液为电解液，电解过程中a、b两个惰性电极上都有气泡产生。下列有关说法正确的是(　　)

A．b电极连接的是电源的负极
B．a电极的反应为2NH3＋2e－===H2＋2NH
C．电解过程中，阴极附近K＋浓度减小
D．理论上两极产生的气体物质的量之比为1∶1
解析：根据图示可知：在b电极上产生N2，N元素化合价升高，失去电子，发生氧化反应，所以b电极为阳极，连接电源的正极，A错误；电极a上产生H2，H元素化合价降低，得到电子，发生还原反应，所以a电极为阴极，电极反应式为：2NH3＋2e－===H2＋2NH，B正确；电解过程中，阴极附近产生NH，使附近溶液中阴离子浓度增大，为维持溶液电中性，阳离子K＋会向阴极区定向移动，最终导致阴极附近K＋浓度增大，C错误；每反应产生1 mol H2，转移2 mol电子，每反应产生1 mol N2，转移6 mol电子，故阴极产生H2与阳极产生的N2的物质的量的比是3∶1，D错误。
答案：B
5．(2022·河北邢台一模)用惰性电极电解一定浓度的硫酸铜溶液，实验装置如图甲，电解过程中的实验数据如图乙，横坐标表示电解过程中转移电子的物质的量，纵坐标表示电解过程中产生气体的总体积(单位：L，标准状况)。则下列有关说法正确的是(　　)

A．电解过程中，b电极表面先有红色物质析出，后有气泡产生
B．a电极上先后发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu和2H＋＋2e－===H2↑
C．当转移0.4 mol的电子时，向溶液中加入CuO可以使溶液恢复原样
D．曲线O～P段表示H2的体积变化，曲线P～Q段表示H2和O2混合气体的体积变化
解析：根据电流方向可知，b为阳极，电解过程中，b电极发生反应2H2O－－4e－===4H＋＋O2↑，故A错误；根据电流方向可知，a为阴极，Cu2＋氧化性大于H＋，所以a电极上先后发生的反应为Cu2＋＋2e－===Cu和2H＋＋2e－===H2↑，故B正确；根据图乙可知，当转移0.4 mol的电子时，阳极生成0.1 mol氧气，阴极生成0.1 mol Cu、0.1 mol H2，根据元素守恒，向溶液中加入0.1 mol Cu(OH)2可以使溶液恢复原样，故C错误；曲线O～P段转移0.2 mol电子，生成气体的物质的量为0.05 mol，表示O2的体积变化；曲线P～Q段转移0.2 mol电子，生成气体的物质的量为0.15 mol，表示H2和O2混合气体的体积变化，故D错误。
答案：B
6．(2021·天津卷，11)如下所示电解装置中，通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，下列判断错误的是(　　)

A．a是电源的负极
B．通电一段时间后，向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色
C．随着电解的进行，CuCl2溶液浓度变大
D．当0.01 mol Fe2O3完全溶解时，至少产生气体336 mL (折合成标准状况下)
解析：通电后石墨电极Ⅱ上有O2生成，Fe2O3逐渐溶解，说明石墨电极Ⅱ为阳极，则电源b为正极，a为负极，石墨电极Ⅰ为阴极，据此解答。由分析可知，a是电源的负极，故A正确；石墨电极Ⅱ为阳极，通电一段时间后，产生氧气和氢离子，所以向石墨电极Ⅱ附近滴加石蕊溶液，出现红色，故B正确；随着电解的进行，铜离子在阴极得电子生成铜单质，所以CuCl2溶液浓度变小，故C错误；当0.01 mol Fe2O3完全溶解时，消耗氢离子为0.06 mol，根据阳极电极反应式2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，产生氧气为0.015 mol，体积为336 mL(折合成标准状况下)，故D正确。
答案：C
7．下列根据实验操作及现象进行的分析和推断中，不正确的是(　　)
操作

现象
一段时间后：①中铁钉裸露在外的附近区域变红；②中……
A．NaCl的琼脂水溶液为离子迁移的通路
B．①中变红是因为发生反应2H＋＋2e－===H2↑，促进了水的电离
C．②中可观察到铁钉裸露在外的附近区域变蓝，铜丝附近区域变红
D．①和②中发生的氧化反应均可表示为M－2e－===M2＋(M代表锌或铁)
解析：①中变红是因为发生反应O2＋4e－＋2H2O===4OH－，OH－使酚酞变红，B不正确。
答案：B
[提升练]
8．(双选)人工肾脏可用间接电化学方法除去代谢产物中的尿素[CO(NH2)2]。下列有关说法正确的是(　　)

A．a为电源的正极
B．电解结束后，阴极室溶液的pH与电解前相比将升高
C．除去尿素的反应为CO(NH2)2＋2Cl2＋H2O===N2＋CO2＋4HCl
D．若两极共收集到气体0.6 mol，则除去的尿素为0.12 mol(忽略气体溶解，假设氯气全部参与反应)
解析：由图示装置可知，左室电极产物为CO2和N2，发生氧化反应，则左室电极为阳极，a为电源的正极，阳极反应式为6Cl－－6e－===3Cl2↑，CO(NH2)2＋3Cl2＋H2O===N2＋CO2＋6HCl，右室电解产物为H2，发生还原反应，则右室电极为阴极，b为电源负极，阴极反应式为6H2O＋6e－===6OH－＋3H2↑。由上述分析可知，a为电源的正极，A正确；根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH－、H＋的数目相等，阳极室中反应产生的H＋通过质子交换膜进入阴极室与OH－恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变，B错误；若两极共收集到气体0.6 mol，则n(N2)＝n(CO2)＝0.6× mol＝0.12 mol，由反应CO(NH2)2＋3Cl2＋H2O===N2＋CO2＋6HCl可知，所消耗的CO(NH2)2的物质的量也为0.12 mol，D正确。
答案：AD
9．某研究机构使用Li­SO2Cl2电池作为电源电解制备Ni(H2PO2)2，其工作原理如图所示。已知电池反应为2Li＋SO2Cl2===2LiCl＋SO2↑，下列说法错误的是(　　)


A．电池中C电极的电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑
B．电池的e极连接电解池的g极
C．膜a、c是阳离子交换膜，膜b是阴离子交换膜
D．电解池中不锈钢电极附近溶液的pH增大
解析：根据电池反应式：2Li＋SO2Cl2===2LiCl＋SO2↑可知，放电时Li元素化合价由0价变为＋1价，失去电子，所以Li电极是负极，反应式为2Li－2e－===2Li＋，则碳棒是正极，正极是SO2Cl2中＋6价的硫得电子，发生还原反应，电极反应式为SO2Cl2＋2e－===2Cl－＋SO2↑；电解池中，Ni电极失去电子生成Ni2＋，通过膜a进入产品室Ⅱ室，所以g电极为阳极、与Li­SO2Cl2电池的正极C棒相接，H2PO由原料室Ⅲ室通过膜b进入产品室Ⅱ室，与Ni2＋生成Ni(H2PO2)2，h电极为阴极，与原电池的e电极相接，Na＋通过膜c进入Ⅳ室，形成闭合回路，所以膜a、c是阳离子交换膜，膜b是阴离子交换膜；电解池中不锈钢电极即h电极为阴极，电极上H2O发生得电子的还原反应，电极反应式为2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，所以不锈钢电极附近溶液的pH增大，故A、C、D正确，B错误。
答案：B
10．(2022·湖北高三阶段练习)高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色消毒剂，可用于饮用水处理。利用如图装置可以迅速制得Na2FeO4，下列说法正确的是(　　)

A．溶液A可循环使用
B．“膜a”、“膜b”分别为阴、阳离子交换膜
C．阳极反应为：Fe－6e－＋4H2O===FeO＋8H＋
D．外电路转移0.1 mol电子时，Ⅱ室溶液质量增重4.0 g
解析：电解法制取高铁酸钠时，Fe为阳极，发生失电子的氧化反应生成高铁酸钠，阳极反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O；阴极氢离子得到电子生成氢气，则氢氧化钠溶液浓度增大，可循环使用；Ⅱ中的钠离子经过膜a进入Ⅰ，则a为阳离子膜，氢氧根离子经过膜b进入Ⅲ，则膜b为阴离子膜。根据分析可知，A为氢氧化钠溶液，可以循环使用，故A正确；“膜a”、“膜b”分别为阳、阴离子交换膜，故B错误；阳极反应式为Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O，故C错误；Ⅱ室中钠离子和氢氧根离子通过膜a、b进入Ⅰ、Ⅲ室，质量减轻，则外电路转移0.1 mol电子时，Ⅱ室溶液质量减轻0.1 mol×40 g/mol＝4.0 g，故D错误。
答案：A
[综合练]
11．(1)用间接电化学法除去NO的过程，如图所示：

已知电解池的阴极室中溶液的pH在4～7之间，写出阴极的电极反应式：________________________________。用离子方程式表示吸收池中除去NO的原理：________________________________________________________________________。
(2)目前已开发出电解法制取ClO2的新工艺。

①用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2(如图所示)，写出阳极产生ClO2的电极反应式：
___________________________________________。
②电解一段时间，当阴极产生的气体体积为112 mL(标准状况)时，停止电解，通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为________ mol；用平衡移动原理解释阴极区pH增大的原因：______________________________________________________。
解析：(1)阴极发生还原反应，是亚硫酸氢根离子得电子生成S2O，电极反应式为2HSO＋2e－＋2H＋===S2O＋2H2O; S2O与一氧化氮发生氧化还原反应，生成氮气和亚硫酸氢根离子，离子反应方程式为2NO＋2S2O＋2H2O===N2＋4HSO。
(2)①由题意可知，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，电极反应式为Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋。②在阴极发生反应2H＋＋2e－===H2↑，当阴极产生的气体体积为112 mL(标准状况)时，即产生氢气的物质的量为0.005 mol，外电路中转移的电子数为0.01 mol，因通过阳离子交换膜的阳离子为＋1价离子，则通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为0.005 mol×2＝0.01 mol，电解时阴极H＋浓度减小，使得H2O===OH－＋H＋的平衡向右移动，OH－浓度增大，溶液的pH增大。
答案：(1)2HSO＋2e－＋2H＋===S2O＋2H2O
2NO＋2S2O＋2H2O===N2＋4HSO
(2)①Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋
②0.01　在阴极发生反应：2H＋＋2e－===H2↑，H＋浓度减小，使得H2O===OH－＋H＋的平衡向右移动，OH－浓度增大，阴极区溶液pH增大
12．某课外小组分别用图中所示装置对原电池和电解原理进行实验探究。请回答：

用图1装置进行第一组实验。
(1)在保证电极反应不变的情况下，不能替代Cu作电极的是________(填序号)。
A．铝　　　　　　　　 B．石墨
C．银 D．铂
(2)N极为________(填 “正”“负”“阴”或“阳”)电极，发生反应的电极反应式为________________________________。
(3)实验过程中，SO________ (填“从左向右”“从右向左”或“不”)移动；滤纸上能观察到的现象有_____________________________________________。
用图2所示装置进行第二组实验。实验过程中，两极均有气体产生，Y极区溶液逐渐变成紫红色；停止实验，铁电极明显变细，电解液仍然澄清。查阅资料发现：高铁酸根(FeO)在溶液中呈紫红色。
(4)电解过程中，X极区溶液的pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。
(5)电解过程中，Y极发生的电极反应为________________和________________。
(6)若在X极收集到672 mL气体，在Y极收集到168 mL气体(均已折算为标准状况时气体体积)，则Y电极(铁电极)质量减少________g。
(7)在碱性锌电池中，用高铁酸钾作为正极材料，电池反应为2K2FeO4＋3Zn===Fe2O3＋ZnO＋2K2ZnO2，该电池正极发生的反应的电极反应式为___________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)在保证电极反应不变的情况下，仍然是锌作负极，则正极材料必须是不如锌活泼的金属或导电的非金属，铝是比锌活泼的金属，所以不能代替铜，故选A。
(2)N电极连接原电池负极，所以是电解池阴极，阴极上氢离子得电子发生还原反应，溶液显碱性，电极反应式为： 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－。
(3)原电池放电时，阴离子向负极移动，所以硫酸根从右向左移动；电解池中，阴极上氢离子得电子生成氢气，阳极上铁失电子生成亚铁离子，亚铁离子和氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁被氧气氧化生成氢氧化铁，所以滤纸上有红褐色斑点产生。
(4)X为阴极，电解过程中，阴极上氢离子放电生成氢气，则阴极附近氢氧根离子浓度大于氢离子溶液，溶液呈碱性，溶液的pH增大。
(5)Y为阳极，铁为非惰性电极，是活泼金属，电解池工作时，阳极上铁失电子发生氧化反应，氢氧根离子失电子发生氧化反应，发生的电极反应式为：Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O、4OH－－4e－===2H2O＋O2↑。
(6)X电极上产生的是氢气，Y电极上产生的是氧气，若在X极收集到672 mL气体(物质的量为0.672 L÷22.4 L/mol＝0.03 mol)，在Y极收集到168 mL气体(物质的量为0.168 L÷22.4 L/mol＝0.007 5 mol)，且Y电极失电子进入溶液，设铁的物质的量减少为a，根据转移电子数相等有：6a＋0.007 5 mol ×4＝0.03 mol×2，a＝0.005 mol，质量为0.28 g。
(7)正极上高铁酸根离子得电子发生还原反应，电极反应式为2FeO＋6e－＋5H2O===Fe2O3＋10OH－。
答案：(1)A　(2)阴　2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－
(3)从右向左　滤纸上有红褐色斑点产生(答出“红褐色斑点”或“红褐色沉淀”即可)
(4)增大　(5)Fe－6e－＋8OH－===FeO＋4H2O　4OH－－4e－===2H2O＋O2↑
(6)0.28　(7)2FeO＋6e－＋5H2O===Fe2O3＋10OH－