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高考化学一轮总复习优化设计 第六单元 第3节 电解池 金属的腐蚀与防护课件PPT
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这是一份高考化学一轮总复习优化设计 第六单元 第3节 电解池 金属的腐蚀与防护课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了必备知识自主预诊，答案4NA，关键能力考向突破，答案AD，答案C，NaOH，OH-，精制饱和食盐水，淡盐水，NaOH溶液等内容，欢迎下载使用。
知识梳理1.电解和电解池(1)电解:使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。(2)电解池:使电能转化为化学能的装置。2.电解池的构成条件(1)有与电源相连的两个电极。(2)两个电极插入电解质溶液(或熔融电解质)中。(3)形成闭合回路。
3.电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例):
总反应方程式: 。 注意:电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。
CuCl2 Cu+Cl2↑
4.电解时两极粒子的放电顺序
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)电解质溶液的导电过程一定发生了化学变化。( )(2)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。( )(3)电解足量硫酸铜溶液一段时间,为复原可加适量Cu(OH)2。( )(4)用Cu作为电极电解盐酸可发生反应Cu+2H+ Cu2++H2↑。( )(5)电解池工作时电子从电源的负极流出,流入阴极通过溶液到阳极,然后从阳极流出,流回电源正极。( )(6)电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大。( )(7)电解时,电解质溶液中阳离子移向阳极,发生还原反应。( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)×
2.若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98 g Cu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为 。
解析 方法一:98 g Cu(OH)2固体的物质的量为1 ml ,相当于电解了1 ml 的CuSO4后,又电解了1 ml 的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。方法二:可认为整个电解过程中转移的电子数与Cu(OH)2中的O2-失电子数相等,则转移电子数为4NA。
考向1 电解池工作原理【典例1】 (2020全国2,12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色。对于该变化过程,下列叙述错误的是( )
A.Ag为阳极B.Ag+由银电极向变色层迁移C.W元素的化合价升高D.总反应为WO3+xAg==AgxWO3
答案 C 解析 由题意知,银电极为阳极,Ag失电子生成Ag+,Ag+移向阴极与WO3反应生成AgxWO3,则总反应为WO3+xAg==AgxWO3,反应过程中W的化合价降低,A、B、D正确,C错误。
对点演练1(双选)(2020湖南永州月考)用石墨作为电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是( )
A.逸出气体的体积:A电极>B电极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电极附近呈蓝色D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
解析 通电后,S 、OH-移向B电极,在B电极OH-放电产生O2,因此B电极附近溶液中c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极H+放电产生H2,A电极附近溶液中c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误、D项正确;A电极产生的气体体积大于B电极,A项正确;电解所得两种气体均为无色无味的气体,B项错误。
规律小结 用惰性电极电解电解质溶液的规律
考向2 电解池电极反应的书写【典例2】 整合有效信息书写电极反应。(1)硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。由硫化氢获得硫单质有多种方法。将用烧碱吸收H2S后所得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-== 。
①写出电解时阴极的电极反应: 。 ②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,该反应的离子方程式为 。
(2)电解NO可制备NH4NO3,其工作原理如图所示。为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A,A是 ,说明理由: 。
答案 (1)①2H2O+2e-==H2↑+2OH- ② +2H+== (n-1)S↓+H2S↑(2)NH3 根据总反应8NO+7H2O 3NH4NO3+2HNO3可知,电解产生的HNO3多,应补充NH3
对点演练2(2020宁夏银川第二中学三模)SO2是大气的主要污染物之一,工业上可用如图装置吸收转化SO2(A、B为惰性电极)。下列说法错误的是( )
C.离子交换膜为阴离子交换膜D.A极区溶液的pH逐渐增大
方法点拨 根据“三看”正确书写电极反应(1)一看电极材料,若是金属单质(Au、Pt除外)为阳极,则金属单质一定被电解(需要注意Fe生成Fe2+而不是生成F )。(2)二看介质,介质是否参与电极反应。(3)三看电解质状态,若是熔融状态,则一般为金属的电冶炼。
知识梳理1.电解饱和食盐水——氯碱工业(1)电极反应。阳极: (反应类型: 反应)。 阴极: (反应类型: 反应)。 检验阳极产物的方法是 。电解时向食盐水中滴加酚酞, 极附近溶液变红,说明该电极附近产生的物质为 。
2Cl--2e-==Cl2↑
2H2O+2e-==H2↑+2OH-
用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近,若试纸
变蓝,证明生成了Cl2
(2)电解总反应。化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑离子方程式: 。
2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
阳离子交换膜的作用:阻止 进入阳极室与Cl2发生副反应2OH-+Cl2==Cl-+ClO-+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。 ②a、b、c、d加入或取出的物质分别是 、 、 、 ;X、Y分别是 、 。
H2O(含少量NaOH)
2.电镀与电解精炼铜
Cu-2e-==Cu2+
Cu2++2e-==Cu
Cu2++2e-==Cu
2Cl--2e-==Cl2↑
2Na++2e-==2Na
6O2--12e-==3O2↑
4Al3++12e-==4Al
2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)在镀件上镀铜时,也可以用惰性材料作为阳极,用硫酸铜溶液作为电解质溶液。( )(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。( )(3)电解精炼时,得到的阳极泥可以是提炼贵重金属的原料。( )(4)用Zn为阳极,Fe为阴极,ZnCl2溶液为电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌。( )(5)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+、H+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过。( )
(6)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。( )(7)电解冶炼镁、铝通常电解熔融的MgCl2和Al2O3,也可以电解熔融的MgO和AlCl3。( )
答案 (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)×
2.粗铜的电解精炼示意图如图所示。
(1)在粗铜的电解过程中,粗铜板应是图中电极 (填图中的字母);在电极d上发生的电极反应为 。 (2)若粗铜中还含有Au、Ag、Fe,则阳极的电极反应为 ,粗铜中的Au、Ag的存在形式和位置为 ,溶液中c(Cu2+) (填“变大”“变小”或“不变”)。
答案 (1)c Cu2++2e-==Cu(2)Fe-2e-==Fe2+、Cu-2e-==Cu2+ Au、Ag以单质的形式沉积在c电极的下方形成阳极泥 变小
考向1 电解原理的应用【典例1】 高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液的方法制备Na2FeO4,其工作原理如图所示,两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是( )
A.阳极反应:Fe-6e-+8OH-==Fe +4H2OB.甲溶液可循环利用C.离子交换膜a是阴离子交换膜D.当电路中通过2 ml电子的电量时,会有1 ml H2生成
答案 C 解析 A项,阳极发生氧化反应,根据题意分析可知,阳极电极反应为Fe-6e-+8OH-==Fe +4H2O,正确;B项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,甲溶液为浓的氢氧化钠溶液,可循环利用,正确;C项,电解池中阳离子向阴极移动,通过离子交换膜a的是Na+,故a为阳离子交换膜,错误;D项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,当电路中通过2 ml 电子的电量时,会有1 ml H2生成,正确。
对点演练1(双选)(2020山东滨州模拟)SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是( )
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生氧化反应B.阴极得到2 ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mlC.吸收池中发生反应的离子方程式为:2NO+2S2 +2H2O==N2+4HSD.阳极发生的反应为SO2+2e-+2H2O==S +4H+
方法技巧 阴、阳极的判断方法(1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。(2)根据电流方向:从阴极流出,从阳极流入。(3)根据电子流向:从阳极流出,从阴极流入。(4)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。(5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O2(或阳极区酸性增强)或Cl2;阴极——析出金属、逸出H2(或阴极区碱性增强)。(6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。
考向2 与电解有关的计算【典例2】 500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N )=0.6 ml·L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24 L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法正确的是( )A.原混合溶液中c(K+)为0.2 ml·L-1B.上述电解过程中共转移0.2 ml 电子C.电解得到的Cu的物质的量为0.05 mlD.电解后溶液中c(H+)为0.2 ml·L-1
答案 A 解析 用石墨电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:Cu2++2e-==Cu,2H++2e-==H2↑。从收集到O2为2.24 L可推知电解过程中共转移0.4 ml电子,而在生成2.24 L H2的过程中转移0.2 ml 电子,所以Cu2+共得到0.4 ml -0.2 ml =0.2 ml 电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1 ml 。电解前后分别有以下守恒关系:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N ),c(K+)+c(H+)=c(N ),由此可得,电解前c(K+)=0.2 ml·L-1,电解后c(H+)=0.4 ml·L-1。
对点演练2(2020湖北宜昌调研)以铅酸蓄电池为电源,用石墨为电极电解CuSO4溶液,装置如右图。若一段时间后Y电极上有6.4 g红色物质析出,停止电解。下列说法正确的是( )A.a为铅酸蓄电池的负极B.电解过程中S 向右侧移动C.电解结束时,左侧溶液质量增重8 gD.铅酸蓄电池工作时,正极反应为PbSO4+2e-==Pb+S
答案 C 解析 Y极有Cu析出,发生还原反应,说明Y极为阴极,故b为负极,a为正极,A项错误;电解过程中阴离子向阳极移动,B项错误;阴极反应为Cu2++2e-==Cu,阳极反应为4OH--4e-==O2↑+2H2O,当有6.4 g Cu析出时,转移0.2 ml e-,左侧生成1.6 g O2,同时有0.1 ml (9.6 g)S 进入左侧,则左侧质量增加9.6 g-1.6 g=8 g,C项正确;铅酸蓄电池的负极是Pb,正极是PbO2,正极反应为PbO2+2e-+4H++S ==PbSO4+2H2O,D项错误。
方法技巧 电化学综合计算的三种常用方法(1)根据总反应计算。先写出电极反应,再写出总反应,最后根据总反应列出比例式计算。(2)根据电子守恒计算。①用于串联电路中阴、阳两极产物,正、负两极产物及相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算。根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。如以通过4 ml e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
知识梳理1.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
2.钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
Fe-2e-==Fe2+
2H++2e-==H2↑
2H2O+O2+4e-==4OH-
Fe+2H+==Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2
3.金属的防护(1)电化学防护。①牺牲阳极的法—原电池原理a.负极:比被保护金属活泼的金属。b.正极:被保护的金属设备。②外加电流法—电解原理a.阴极:被保护的金属设备。b.阳极:惰性电极。
(2)改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。( )(2)铜在酸性较强的溶液中均可发生析氢腐蚀。( )(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。( )(4)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。( )(5)镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比镀铜前更容易生锈。( )(6)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极。( )(7)在船体外嵌入锌块,可以减缓船体的腐蚀,属于牺牲阴极法。( )(8)在潮湿的空气中,钢铁表面形成水膜,金属发生的一定是吸氧腐蚀。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)× (8)×
2.实验探究(如图所示)(1)若棉团浸有NH4Cl溶液,铁钉发生 腐蚀,正极反应为 ,右试管中现象是 。 (2)若棉团浸有NaCl溶液,铁钉发生 腐蚀,正极反应为 ,右试管中现象是 。
答案 (1)析氢 2H++2e-==H2↑ 有气泡冒出(2)吸氧 O2+4e-+2H2O==4OH- 导管内液面上升
考向1 金属的腐蚀【典例1】 (2020山东泰安三模)国产航母山东舰已经列装服役,它是采用模块制造然后焊接组装而成的,对焊接有着极高的要求。实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如图)。下列相关描述中正确的是( )
A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn的金属活泼性强于FeB.由图示可以看出甲是海水环境下的腐蚀情况,乙是河水环境下的腐蚀情况C.两种环境下铁被腐蚀时的电极反应均为Fe-3e-==Fe3+D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
答案 D 解析 两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,则金属活泼性Fe>Sn,A错误;从腐蚀程度来讲,乙明显比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水快,故乙是海水环境下的腐蚀情况,甲是河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应为Fe-2e-==Fe2+,C错误;金属活泼性Zn>Fe>Sn,用锌块打“补丁”与铁、锡接触,Zn可作为负极被腐蚀,可以保护Fe、Sn,D正确。
对点演练1如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④③①②⑥C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥
答案 C 解析 ②③④均为原电池,③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀,但Fe和Cu的金属活泼性差别大于Fe和Sn的,故④中Fe被腐蚀的较快。⑤中Fe接电源正极为阳极,Cu接电源负极为阴极,加快了Fe的腐蚀。⑥中Fe接电源负极为阴极,Cu接电源正极为阳极,可防止Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。
规律小结 电化学腐蚀的规律(1)对同一种金属来说,其他条件相同时腐蚀的快慢:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。(2)活泼性不同的两金属:活泼性差别越大,活泼性强的金属腐蚀越快。(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快,且氧化剂的浓度越高,氧化性越强,腐蚀越快(钝化除外)。(4)电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
考向2 金属腐蚀的防护【典例2】 (2020江苏化学,11)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在下图所示的情境中,下列有关说法正确的是( )
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-==Fe2+B.金属M的活动性比Fe的活动性弱C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
答案 C 解析 题中所示装置是通过牺牲阳极法保护钢铁设施,阳极材料M比Fe活泼,失电子,发生氧化反应,电子通过导线流向钢铁设施被保护的一极,阴极的电极反应式(一般)为O2+2H2O+4e-==4OH-,A、B两项错误,C项正确;海水比河水中电解质的浓度大,钢铁更易腐蚀,D项错误。
对点演练2(2018北京化学,12)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3% NaCl溶液)。
下列说法不正确的是( )A.对比②③,可以判定Zn保护了FeB.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
答案 D 解析 A项,对比②③可知,没有连接锌的Fe附近溶液在加入K3[Fe(CN)6]溶液后产生了蓝色沉淀,说明Zn保护了Fe,正确;B项,对比①②可知,铁氰化钾可能把Fe氧化为Fe2+,并进一步与Fe2+反应生成蓝色沉淀,正确;C项,①生成蓝色沉淀,说明有Fe2+生成,因而不能用于验证Zn保护Fe,正确;D项,实验①中无论Fe作正极还是负极,Fe附近均产生蓝色沉淀,故将Zn换成Cu,无法证明Fe比Cu活泼,错误。
规律小结 金属防护效果比较:外接电流法>牺牲阳极法>有一般防护条件的防腐。
2.金属的腐蚀与保护
1.两个定义(1)电解:使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。(2)电解池:把电能转化为化学能的装置。
(2)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+3.电化学腐蚀两种类型的正极反应(1)析氢腐蚀:2H++2e-==H2↑(2)吸氧腐蚀:O2+2H2O+4e-==4OH-
电化学装置中的介质与离子交换膜
素养解读在近几年高考中,涉及离子交换膜的应用及电解质溶液介质对电极反应影响的试题比较多,且常出常新,离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质,电解质溶液中的电解质可能与电极反应产物进行反应。通过分析、推理等方法认识原电池及电解池原理,明确电解质溶液中离子的移动方向,两电极发生的反应,根据离子交换膜的种类确定通过哪些离子,判断交换膜的作用。建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。关注与化学有关的社会热点问题,具有可持续发展意识和绿色化学观念,提升科学态度与社会责任的化学核心素养。
案例探究情境:常用的脱盐技术包括离子交换法、膜分离技术、电吸附法和EDI技术四大类。离子交换法——首先通过过滤系统将滤液进行预处理,然后将滤液注入过滤水槽,接着让滤液与强酸阳树脂发生反应,将滤液中的阳离子如钙离子、钠离子、镁离子等去除,接着将滤液中的碳酸氢根离子分解成二氧化碳和水,因此二氧化碳被排出了,这样阴离子在后面的去除中就更加便利了。最后将经过一系列处理后的水与强碱阴树脂反应,水中的阴离子被去除了。在整个过程中,离子交换系统可以让阴阳树脂不断再生,从而使周期不断的交替进行,直至滤液达到要求。
膜分离技术——首先将滤液通过过滤器进行过滤,这样大大降低了浑浊的程度,除去了其中的大量杂质,然后利用活性炭吸收水中的有机高分子、难溶胶体以进一步去除水中的难溶物,以便达到反渗透用水的进水标准。滤液经过这些流程的处理后,通过进水口进入反渗透装置进行脱盐处理,经过脱盐处理后的水从渗透膜的净侧排出,而被反渗透膜拦截的有机大分子、胶体杂质则是直接被排放或接着进行后续的处理,温度是造成产水量异常的重要因素,因此一定要根据实际情况合理的监测温度。
电吸附法——首先将正、负电极板通入直流电,让其初步形成一个电场,然后将需要进行处理的滤液放入电场中,这时候溶液中的阴、阳离子会向与其电性相反的方向移动,这样经过一段时间后,溶液中的带电粒子停止移动,溶液中的离子就完全被去除了。而当电极达到饱和状态时,再撤去直流电,导致电场消失,这时候带电离子又会重新运动,电极就会再生。
EDI技术——EDI技术是新时期集离子交换技术、膜分离技术、电吸附技术于一体的产物,它巧妙地发挥了各种技术的优势。其工艺流程主要是:首先对滤液进行预处理,然后让滤液从进水口进入到设备中,滤液中的带电离子由于吸附作用向电极两端移动,其中经过离子交换树脂和反渗透膜会进一步加速离子去除的效率,另外,电离水所产生的氢氧根和氢离子又促进了离子交换树脂的再生,因此设备能保持良好的运行状态。
【典例】 (2020山东化学,10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用右图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是( )A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-==2CO2↑+7H+B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1 ml电子时,模拟海水理论上除盐58.5 gD.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
解析 本题考查了原电池的工作原理和电极反应式的书写。由图可知,a极变化为CH3COO-→CO2,该极的电极反应为CH3COO-+2H2O-8e-==2CO2+7H+,a极发生氧化反应,则a极为负极,b极为正极,A项正确;由于可实现海水淡化,结合原电池原理分析,Cl-应移向a极,Na+应移向b极,故隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;当转移8 ml e-时,CH3COO-减少1 ml,同时H+增加7 ml,应有8 ml Cl-通过隔膜1,则转移1 ml电子时理论上可除去1 ml NaCl,所以C项正确;工作一段时间后,由于正极反应式为2H++2e-==H2↑,故正、负极生成气体的物质的量之比为2∶1,D项正确。
方法规律1.电化学中的交换膜(1)交换膜的功能。使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。(2)交换膜在中学电化学中的作用。①防止副反应的发生,避免影响所制取产品的质量;防止引发不安全因素。如在电解饱和食盐水中,利用阳离子交换膜,防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠反应,导致所制产品不纯;防止氯气与阴极产生的氢气混合发生爆炸。②用于物质的制备、分离、提纯等。
(3)离子交换膜的类型。常见的离子交换膜有阳离子交换膜、阴离子交换膜及特殊离子交换膜等。阳离子交换膜只允许阳离子通过,阻止阴离子和气体通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过,质子交换膜只允许质子(H+)通过。
(4)离子交换膜类型的判断。根据电解质溶液呈中性的原则,判断交换膜的类型,判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余,因该电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向,进而确定离子交换膜的类型。如电解饱和食盐水时,阴极反应为2H++2e-==H2↑,则阴极区域破坏水的电离平衡,OH-有剩余,阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-形成NaOH溶液,故电解食盐水时的离子交换膜是阳离子交换膜。
2.电化学中的介质电化学中常见的五大介质(以CH3OH、O2燃料电池为例)(1)中性溶液(如K2SO4溶液)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+2H2O==2CO2↑+12H+正极反应:3O2+12e-+6H2O==12OH-(2)碱性介质(如KOH溶液)。总反应:2CH3OH+3O2+4OH-==2C +6H2O负极反应:2CH3OH-12e-+16OH-==2C +12H2O正极反应:3O2+12e-+6H2O==12OH-
(3)酸性介质(如H2SO4溶液)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+2H2O==2CO2↑+12H+正极反应:3O2+12e-+12H+==6H2O(4)熔融盐介质(如熔融的K2CO3)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+6C ==8CO2↑+4H2O正极反应:3O2+12e-+6CO2==6C
(5)在高温下能传导正极生成的O2-的介质(如掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+6O2-==2CO2↑+4H2O正极反应:3O2+12e-==6O2-方法规律:首先要分析介质是否参与总反应,然后写出总反应方程式。根据O2在不同介质中的转化关系(碱性或中性溶液中转化为OH-;酸性溶液中转化为H2O,熔融碳酸盐中转化为C ;固体氧化物中转化为O2-)写出正极反应,利用相减法(总反应-正极反应=负极反应),写出负极反应。
素养提升1.(2020山东化学,13)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )A.阳极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑B.电解一段时间后,阳极室的pH未变C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
答案 D 解析 本题以“证据推理与模型认知”为测试宗旨,考查了电解池的工作原理及由电解现象进行的一些推断。图中电解池b极一端进入O2生成H2O2,其电极反应式为2H++O2+2e-==H2O2,发生还原反应,b极为阴极。同理阳极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,H+由阳极区移向阴极区,A、C项正确。阳极区一段时间后,溶液pH不变;根据电子守恒可知生成的O2和消耗的O2物质的量之比为1∶2,D项错误。
2.(2019全国1,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+==2H++2MV+C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案 B 解析 该过程是在室温条件下进行的,因此比现有工业合成氨的条件温和,同时还能提供电能,A项正确;阴极区发生的是得电子的反应,而左池中发生的是失电子的反应,B项错误;右池为正极区,氮气发生还原反应生成氨气,C项正确;左池中产生的氢离子通过交换膜向右池移动,即由负极区移向正极区,D项正确。
3. (双选)利用电解法制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH和Cl2。下列说法正确的是( )A.C膜为阳离子交换膜B.阴极室的电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+C.可用铁电极替换阴极的石墨电极D.每转移2 ml e-,阳极室中c(Ca2+)降低1 ml·L-1
答案 AC 解析 通过图示分析可知,C膜只能是阳离子交换膜,A正确;阴极室的电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,B错误;阴极电极材料不参与反应,故可用铁电极替换阴极的石墨电极,C正确;未给出溶液体积,无法计算离子的浓度,D错误。
4. (双选)(2020河南天一大联考阶段检测)普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含惰性杂质,利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述正确的是( )A.电极b为粗铜,电极a为精铜B.甲膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区C.乙膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区D.当电路中通过1 ml电子时,可生成32 g精铜
答案 AD 解析 由题意结合电解原理可知,电极a是阴极,应为精铜,电极b是阳极,应为粗铜,A项正确;甲膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区,B项错误;乙膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区,C项错误;当电路中通过1 ml电子时,可生成0.5 ml精铜,其质量为32 g,D项正确。
5.模拟电渗析法淡化海水的工作原理示意图如下。已知X、Y均为惰性电极,模拟海水中富含Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、S 等离子。下列叙述不正确的是( )
A.N是阴离子交换膜B.Y电极上产生有色气体C.X电极区域有浑浊产生D.X电极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑
答案 D 解析 Y电极为阳极,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,为保持Y电极附近溶液呈电中性,M、N之间海水中的阴离子需透过离子交换膜N进入右侧溶液,则N为阴离子交换膜,A正确;电解时,Y电极上产生的Cl2为有色气体,B正确;X电极为阴极,发生还原反应,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,溶液中c(OH-)增大,易产生Mg(OH)2、Ca(OH)2沉淀而使X电极区域出现浑浊,C正确,D错误。
知识梳理1.电解和电解池(1)电解:使电流通过电解质溶液(或熔融电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。(2)电解池:使电能转化为化学能的装置。2.电解池的构成条件(1)有与电源相连的两个电极。(2)两个电极插入电解质溶液(或熔融电解质)中。(3)形成闭合回路。
3.电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例):
总反应方程式: 。 注意:电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流,即电子本身不会通过电解质溶液。
CuCl2 Cu+Cl2↑
4.电解时两极粒子的放电顺序
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)电解质溶液的导电过程一定发生了化学变化。( )(2)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。( )(3)电解足量硫酸铜溶液一段时间,为复原可加适量Cu(OH)2。( )(4)用Cu作为电极电解盐酸可发生反应Cu+2H+ Cu2++H2↑。( )(5)电解池工作时电子从电源的负极流出,流入阴极通过溶液到阳极,然后从阳极流出,流回电源正极。( )(6)电解盐酸、硫酸溶液等,H+放电,溶液的pH逐渐增大。( )(7)电解时,电解质溶液中阳离子移向阳极,发生还原反应。( )
答案 (1)√ (2)× (3)× (4)√ (5)× (6)× (7)×
2.若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98 g Cu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为 。
解析 方法一:98 g Cu(OH)2固体的物质的量为1 ml ,相当于电解了1 ml 的CuSO4后,又电解了1 ml 的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。方法二:可认为整个电解过程中转移的电子数与Cu(OH)2中的O2-失电子数相等,则转移电子数为4NA。
考向1 电解池工作原理【典例1】 (2020全国2,12)电致变色器件可智能调控太阳光透过率,从而实现节能。下图是某电致变色器件的示意图。当通电时,Ag+注入到无色WO3薄膜中,生成AgxWO3,器件呈现蓝色。对于该变化过程,下列叙述错误的是( )
A.Ag为阳极B.Ag+由银电极向变色层迁移C.W元素的化合价升高D.总反应为WO3+xAg==AgxWO3
答案 C 解析 由题意知,银电极为阳极,Ag失电子生成Ag+,Ag+移向阴极与WO3反应生成AgxWO3,则总反应为WO3+xAg==AgxWO3,反应过程中W的化合价降低,A、B、D正确,C错误。
对点演练1(双选)(2020湖南永州月考)用石墨作为电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列有关叙述正确的是( )
A.逸出气体的体积:A电极>B电极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电极附近呈蓝色D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
解析 通电后,S 、OH-移向B电极,在B电极OH-放电产生O2,因此B电极附近溶液中c(H+)>c(OH-),石蕊溶液变红,Na+、H+移向A电极,在A电极H+放电产生H2,A电极附近溶液中c(OH-)>c(H+),石蕊溶液变蓝,C项错误、D项正确;A电极产生的气体体积大于B电极,A项正确;电解所得两种气体均为无色无味的气体,B项错误。
规律小结 用惰性电极电解电解质溶液的规律
考向2 电解池电极反应的书写【典例2】 整合有效信息书写电极反应。(1)硫化氢的转化是资源利用和环境保护的重要研究课题。由硫化氢获得硫单质有多种方法。将用烧碱吸收H2S后所得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-== 。
①写出电解时阴极的电极反应: 。 ②电解后阳极区的溶液用稀硫酸酸化得到硫单质,该反应的离子方程式为 。
(2)电解NO可制备NH4NO3,其工作原理如图所示。为使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充物质A,A是 ,说明理由: 。
答案 (1)①2H2O+2e-==H2↑+2OH- ② +2H+== (n-1)S↓+H2S↑(2)NH3 根据总反应8NO+7H2O 3NH4NO3+2HNO3可知,电解产生的HNO3多,应补充NH3
对点演练2(2020宁夏银川第二中学三模)SO2是大气的主要污染物之一,工业上可用如图装置吸收转化SO2(A、B为惰性电极)。下列说法错误的是( )
C.离子交换膜为阴离子交换膜D.A极区溶液的pH逐渐增大
方法点拨 根据“三看”正确书写电极反应(1)一看电极材料,若是金属单质(Au、Pt除外)为阳极,则金属单质一定被电解(需要注意Fe生成Fe2+而不是生成F )。(2)二看介质,介质是否参与电极反应。(3)三看电解质状态,若是熔融状态,则一般为金属的电冶炼。
知识梳理1.电解饱和食盐水——氯碱工业(1)电极反应。阳极: (反应类型: 反应)。 阴极: (反应类型: 反应)。 检验阳极产物的方法是 。电解时向食盐水中滴加酚酞, 极附近溶液变红,说明该电极附近产生的物质为 。
2Cl--2e-==Cl2↑
2H2O+2e-==H2↑+2OH-
用湿润的KI淀粉试纸靠近阳极附近,若试纸
变蓝,证明生成了Cl2
(2)电解总反应。化学方程式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑离子方程式: 。
2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑
(3)阳离子交换膜法电解饱和食盐水示意图
阳离子交换膜的作用:阻止 进入阳极室与Cl2发生副反应2OH-+Cl2==Cl-+ClO-+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。 ②a、b、c、d加入或取出的物质分别是 、 、 、 ;X、Y分别是 、 。
H2O(含少量NaOH)
2.电镀与电解精炼铜
Cu-2e-==Cu2+
Cu2++2e-==Cu
Cu2++2e-==Cu
2Cl--2e-==Cl2↑
2Na++2e-==2Na
6O2--12e-==3O2↑
4Al3++12e-==4Al
2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)在镀件上镀铜时,也可以用惰性材料作为阳极,用硫酸铜溶液作为电解质溶液。( )(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。( )(3)电解精炼时,得到的阳极泥可以是提炼贵重金属的原料。( )(4)用Zn为阳极,Fe为阴极,ZnCl2溶液为电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌。( )(5)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例)只允许阳离子(Na+、H+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过。( )
(6)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。( )(7)电解冶炼镁、铝通常电解熔融的MgCl2和Al2O3,也可以电解熔融的MgO和AlCl3。( )
答案 (1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√ (6)× (7)×
2.粗铜的电解精炼示意图如图所示。
(1)在粗铜的电解过程中,粗铜板应是图中电极 (填图中的字母);在电极d上发生的电极反应为 。 (2)若粗铜中还含有Au、Ag、Fe,则阳极的电极反应为 ,粗铜中的Au、Ag的存在形式和位置为 ,溶液中c(Cu2+) (填“变大”“变小”或“不变”)。
答案 (1)c Cu2++2e-==Cu(2)Fe-2e-==Fe2+、Cu-2e-==Cu2+ Au、Ag以单质的形式沉积在c电极的下方形成阳极泥 变小
考向1 电解原理的应用【典例1】 高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色水处理剂。工业上可用电解浓NaOH溶液的方法制备Na2FeO4,其工作原理如图所示,两端隔室中离子不能进入中间隔室。下列说法错误的是( )
A.阳极反应:Fe-6e-+8OH-==Fe +4H2OB.甲溶液可循环利用C.离子交换膜a是阴离子交换膜D.当电路中通过2 ml电子的电量时,会有1 ml H2生成
答案 C 解析 A项,阳极发生氧化反应,根据题意分析可知,阳极电极反应为Fe-6e-+8OH-==Fe +4H2O,正确;B项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,甲溶液为浓的氢氧化钠溶液,可循环利用,正确;C项,电解池中阳离子向阴极移动,通过离子交换膜a的是Na+,故a为阳离子交换膜,错误;D项,阴极发生还原反应,水电离出的氢离子放电生成氢气和氢氧根,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,当电路中通过2 ml 电子的电量时,会有1 ml H2生成,正确。
对点演练1(双选)(2020山东滨州模拟)SO2和NOx是主要大气污染物,利用下图装置可同时吸收SO2和NO。下列有关说法错误的是( )
A.a极为直流电源的负极,与其相连的电极发生氧化反应B.阴极得到2 ml电子时,通过阳离子交换膜的H+为2 mlC.吸收池中发生反应的离子方程式为:2NO+2S2 +2H2O==N2+4HSD.阳极发生的反应为SO2+2e-+2H2O==S +4H+
方法技巧 阴、阳极的判断方法(1)根据外接电源:正极接阳极,负极接阴极。(2)根据电流方向:从阴极流出,从阳极流入。(3)根据电子流向:从阳极流出,从阴极流入。(4)根据离子移向:阴离子移向阳极,阳离子移向阴极。(5)根据电极产物:阳极——电极溶解、逸出O2(或阳极区酸性增强)或Cl2;阴极——析出金属、逸出H2(或阴极区碱性增强)。(6)根据反应类型:阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应。
考向2 与电解有关的计算【典例2】 500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(N )=0.6 ml·L-1,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24 L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法正确的是( )A.原混合溶液中c(K+)为0.2 ml·L-1B.上述电解过程中共转移0.2 ml 电子C.电解得到的Cu的物质的量为0.05 mlD.电解后溶液中c(H+)为0.2 ml·L-1
答案 A 解析 用石墨电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应为4OH--4e-==2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:Cu2++2e-==Cu,2H++2e-==H2↑。从收集到O2为2.24 L可推知电解过程中共转移0.4 ml电子,而在生成2.24 L H2的过程中转移0.2 ml 电子,所以Cu2+共得到0.4 ml -0.2 ml =0.2 ml 电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1 ml 。电解前后分别有以下守恒关系:c(K+)+2c(Cu2+)=c(N ),c(K+)+c(H+)=c(N ),由此可得,电解前c(K+)=0.2 ml·L-1,电解后c(H+)=0.4 ml·L-1。
对点演练2(2020湖北宜昌调研)以铅酸蓄电池为电源,用石墨为电极电解CuSO4溶液,装置如右图。若一段时间后Y电极上有6.4 g红色物质析出,停止电解。下列说法正确的是( )A.a为铅酸蓄电池的负极B.电解过程中S 向右侧移动C.电解结束时,左侧溶液质量增重8 gD.铅酸蓄电池工作时,正极反应为PbSO4+2e-==Pb+S
答案 C 解析 Y极有Cu析出,发生还原反应,说明Y极为阴极,故b为负极,a为正极,A项错误;电解过程中阴离子向阳极移动,B项错误;阴极反应为Cu2++2e-==Cu,阳极反应为4OH--4e-==O2↑+2H2O,当有6.4 g Cu析出时,转移0.2 ml e-,左侧生成1.6 g O2,同时有0.1 ml (9.6 g)S 进入左侧,则左侧质量增加9.6 g-1.6 g=8 g,C项正确;铅酸蓄电池的负极是Pb,正极是PbO2,正极反应为PbO2+2e-+4H++S ==PbSO4+2H2O,D项错误。
方法技巧 电化学综合计算的三种常用方法(1)根据总反应计算。先写出电极反应,再写出总反应,最后根据总反应列出比例式计算。(2)根据电子守恒计算。①用于串联电路中阴、阳两极产物,正、负两极产物及相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。②用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算。根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。如以通过4 ml e-为桥梁可构建如下关系式:
(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽电化学计算的作用和价值,熟记电极反应,灵活运用关系式便能快速解答常见的电化学计算问题。
知识梳理1.化学腐蚀和电化学腐蚀的比较
2.钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
Fe-2e-==Fe2+
2H++2e-==H2↑
2H2O+O2+4e-==4OH-
Fe+2H+==Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O==2Fe(OH)2
3.金属的防护(1)电化学防护。①牺牲阳极的法—原电池原理a.负极:比被保护金属活泼的金属。b.正极:被保护的金属设备。②外加电流法—电解原理a.阴极:被保护的金属设备。b.阳极:惰性电极。
(2)改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
自我诊断1.判断正误,正确的打“√”,错误的打“×”。(1)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。( )(2)铜在酸性较强的溶液中均可发生析氢腐蚀。( )(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。( )(4)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。( )(5)镀铜铁制品镀层受损后,铁制品比镀铜前更容易生锈。( )(6)外加电流法是将被保护金属接在直流电源的正极。( )(7)在船体外嵌入锌块,可以减缓船体的腐蚀,属于牺牲阴极法。( )(8)在潮湿的空气中,钢铁表面形成水膜,金属发生的一定是吸氧腐蚀。( )
答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)√ (6)× (7)× (8)×
2.实验探究(如图所示)(1)若棉团浸有NH4Cl溶液,铁钉发生 腐蚀,正极反应为 ,右试管中现象是 。 (2)若棉团浸有NaCl溶液,铁钉发生 腐蚀,正极反应为 ,右试管中现象是 。
答案 (1)析氢 2H++2e-==H2↑ 有气泡冒出(2)吸氧 O2+4e-+2H2O==4OH- 导管内液面上升
考向1 金属的腐蚀【典例1】 (2020山东泰安三模)国产航母山东舰已经列装服役,它是采用模块制造然后焊接组装而成的,对焊接有着极高的要求。实验室模拟在海水环境和河水环境下对焊接金属材料使用的影响(如图)。下列相关描述中正确的是( )
A.由图示的金属腐蚀情况说明了Sn的金属活泼性强于FeB.由图示可以看出甲是海水环境下的腐蚀情况,乙是河水环境下的腐蚀情况C.两种环境下铁被腐蚀时的电极反应均为Fe-3e-==Fe3+D.为了防止舰艇在海水中被腐蚀,可在焊点附近用锌块打“补丁”
答案 D 解析 两图中被腐蚀的都是Fe,说明Fe是负极,Sn为正极,则金属活泼性Fe>Sn,A错误;从腐蚀程度来讲,乙明显比较严重,因海水中含有较多的盐分,腐蚀速率比河水快,故乙是海水环境下的腐蚀情况,甲是河水环境下的腐蚀情况,B错误;铁被腐蚀时电极反应为Fe-2e-==Fe2+,C错误;金属活泼性Zn>Fe>Sn,用锌块打“补丁”与铁、锡接触,Zn可作为负极被腐蚀,可以保护Fe、Sn,D正确。
对点演练1如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④③①②⑥C.⑤④②①③⑥D.⑤③②④①⑥
答案 C 解析 ②③④均为原电池,③中Fe为正极,被保护;②④中Fe为负极,均被腐蚀,但Fe和Cu的金属活泼性差别大于Fe和Sn的,故④中Fe被腐蚀的较快。⑤中Fe接电源正极为阳极,Cu接电源负极为阴极,加快了Fe的腐蚀。⑥中Fe接电源负极为阴极,Cu接电源正极为阳极,可防止Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。
规律小结 电化学腐蚀的规律(1)对同一种金属来说,其他条件相同时腐蚀的快慢:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。(2)活泼性不同的两金属:活泼性差别越大,活泼性强的金属腐蚀越快。(3)对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,腐蚀越快,且氧化剂的浓度越高,氧化性越强,腐蚀越快(钝化除外)。(4)电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的腐蚀。
考向2 金属腐蚀的防护【典例2】 (2020江苏化学,11)将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在下图所示的情境中,下列有关说法正确的是( )
A.阴极的电极反应式为Fe-2e-==Fe2+B.金属M的活动性比Fe的活动性弱C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快
答案 C 解析 题中所示装置是通过牺牲阳极法保护钢铁设施,阳极材料M比Fe活泼,失电子,发生氧化反应,电子通过导线流向钢铁设施被保护的一极,阴极的电极反应式(一般)为O2+2H2O+4e-==4OH-,A、B两项错误,C项正确;海水比河水中电解质的浓度大,钢铁更易腐蚀,D项错误。
对点演练2(2018北京化学,12)验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3% NaCl溶液)。
下列说法不正确的是( )A.对比②③,可以判定Zn保护了FeB.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
答案 D 解析 A项,对比②③可知,没有连接锌的Fe附近溶液在加入K3[Fe(CN)6]溶液后产生了蓝色沉淀,说明Zn保护了Fe,正确;B项,对比①②可知,铁氰化钾可能把Fe氧化为Fe2+,并进一步与Fe2+反应生成蓝色沉淀,正确;C项,①生成蓝色沉淀,说明有Fe2+生成,因而不能用于验证Zn保护Fe,正确;D项,实验①中无论Fe作正极还是负极,Fe附近均产生蓝色沉淀,故将Zn换成Cu,无法证明Fe比Cu活泼,错误。
规律小结 金属防护效果比较:外接电流法>牺牲阳极法>有一般防护条件的防腐。
2.金属的腐蚀与保护
1.两个定义(1)电解:使电流通过电解质溶液(或熔融的电解质)而在阳极、阴极引起氧化还原反应的过程。(2)电解池:把电能转化为化学能的装置。
(2)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+3.电化学腐蚀两种类型的正极反应(1)析氢腐蚀:2H++2e-==H2↑(2)吸氧腐蚀:O2+2H2O+4e-==4OH-
电化学装置中的介质与离子交换膜
素养解读在近几年高考中,涉及离子交换膜的应用及电解质溶液介质对电极反应影响的试题比较多,且常出常新,离子交换膜的功能在于选择性地通过某些离子和阻止某些离子来隔离某些物质,电解质溶液中的电解质可能与电极反应产物进行反应。通过分析、推理等方法认识原电池及电解池原理,明确电解质溶液中离子的移动方向,两电极发生的反应,根据离子交换膜的种类确定通过哪些离子,判断交换膜的作用。建立认知模型,并能运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。关注与化学有关的社会热点问题,具有可持续发展意识和绿色化学观念,提升科学态度与社会责任的化学核心素养。
案例探究情境:常用的脱盐技术包括离子交换法、膜分离技术、电吸附法和EDI技术四大类。离子交换法——首先通过过滤系统将滤液进行预处理,然后将滤液注入过滤水槽,接着让滤液与强酸阳树脂发生反应,将滤液中的阳离子如钙离子、钠离子、镁离子等去除,接着将滤液中的碳酸氢根离子分解成二氧化碳和水,因此二氧化碳被排出了,这样阴离子在后面的去除中就更加便利了。最后将经过一系列处理后的水与强碱阴树脂反应,水中的阴离子被去除了。在整个过程中,离子交换系统可以让阴阳树脂不断再生,从而使周期不断的交替进行,直至滤液达到要求。
膜分离技术——首先将滤液通过过滤器进行过滤,这样大大降低了浑浊的程度,除去了其中的大量杂质,然后利用活性炭吸收水中的有机高分子、难溶胶体以进一步去除水中的难溶物,以便达到反渗透用水的进水标准。滤液经过这些流程的处理后,通过进水口进入反渗透装置进行脱盐处理,经过脱盐处理后的水从渗透膜的净侧排出,而被反渗透膜拦截的有机大分子、胶体杂质则是直接被排放或接着进行后续的处理,温度是造成产水量异常的重要因素,因此一定要根据实际情况合理的监测温度。
电吸附法——首先将正、负电极板通入直流电,让其初步形成一个电场,然后将需要进行处理的滤液放入电场中,这时候溶液中的阴、阳离子会向与其电性相反的方向移动,这样经过一段时间后,溶液中的带电粒子停止移动,溶液中的离子就完全被去除了。而当电极达到饱和状态时,再撤去直流电,导致电场消失,这时候带电离子又会重新运动,电极就会再生。
EDI技术——EDI技术是新时期集离子交换技术、膜分离技术、电吸附技术于一体的产物,它巧妙地发挥了各种技术的优势。其工艺流程主要是:首先对滤液进行预处理,然后让滤液从进水口进入到设备中,滤液中的带电离子由于吸附作用向电极两端移动,其中经过离子交换树脂和反渗透膜会进一步加速离子去除的效率,另外,电离水所产生的氢氧根和氢离子又促进了离子交换树脂的再生,因此设备能保持良好的运行状态。
【典例】 (2020山东化学,10)微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用右图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是( )A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-==2CO2↑+7H+B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜C.当电路中转移1 ml电子时,模拟海水理论上除盐58.5 gD.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
解析 本题考查了原电池的工作原理和电极反应式的书写。由图可知,a极变化为CH3COO-→CO2,该极的电极反应为CH3COO-+2H2O-8e-==2CO2+7H+,a极发生氧化反应,则a极为负极,b极为正极,A项正确;由于可实现海水淡化,结合原电池原理分析,Cl-应移向a极,Na+应移向b极,故隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;当转移8 ml e-时,CH3COO-减少1 ml,同时H+增加7 ml,应有8 ml Cl-通过隔膜1,则转移1 ml电子时理论上可除去1 ml NaCl,所以C项正确;工作一段时间后,由于正极反应式为2H++2e-==H2↑,故正、负极生成气体的物质的量之比为2∶1,D项正确。
方法规律1.电化学中的交换膜(1)交换膜的功能。使离子选择性定向迁移(目的是平衡整个溶液的离子浓度或电荷)。(2)交换膜在中学电化学中的作用。①防止副反应的发生,避免影响所制取产品的质量;防止引发不安全因素。如在电解饱和食盐水中,利用阳离子交换膜,防止阳极产生的氯气进入阴极室与氢氧化钠反应,导致所制产品不纯;防止氯气与阴极产生的氢气混合发生爆炸。②用于物质的制备、分离、提纯等。
(3)离子交换膜的类型。常见的离子交换膜有阳离子交换膜、阴离子交换膜及特殊离子交换膜等。阳离子交换膜只允许阳离子通过,阻止阴离子和气体通过,阴离子交换膜只允许阴离子通过,质子交换膜只允许质子(H+)通过。
(4)离子交换膜类型的判断。根据电解质溶液呈中性的原则,判断交换膜的类型,判断时首先写出阴、阳两极上的电极反应,依据电极反应确定该电极附近哪种离子剩余,因该电极附近溶液呈电中性,从而判断出离子移动的方向,进而确定离子交换膜的类型。如电解饱和食盐水时,阴极反应为2H++2e-==H2↑,则阴极区域破坏水的电离平衡,OH-有剩余,阳极区域的Na+穿过离子交换膜进入阴极室,与OH-形成NaOH溶液,故电解食盐水时的离子交换膜是阳离子交换膜。
2.电化学中的介质电化学中常见的五大介质(以CH3OH、O2燃料电池为例)(1)中性溶液(如K2SO4溶液)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+2H2O==2CO2↑+12H+正极反应:3O2+12e-+6H2O==12OH-(2)碱性介质(如KOH溶液)。总反应:2CH3OH+3O2+4OH-==2C +6H2O负极反应:2CH3OH-12e-+16OH-==2C +12H2O正极反应:3O2+12e-+6H2O==12OH-
(3)酸性介质(如H2SO4溶液)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+2H2O==2CO2↑+12H+正极反应:3O2+12e-+12H+==6H2O(4)熔融盐介质(如熔融的K2CO3)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+6C ==8CO2↑+4H2O正极反应:3O2+12e-+6CO2==6C
(5)在高温下能传导正极生成的O2-的介质(如掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质)。总反应:2CH3OH+3O2==2CO2+4H2O负极反应:2CH3OH-12e-+6O2-==2CO2↑+4H2O正极反应:3O2+12e-==6O2-方法规律:首先要分析介质是否参与总反应,然后写出总反应方程式。根据O2在不同介质中的转化关系(碱性或中性溶液中转化为OH-;酸性溶液中转化为H2O,熔融碳酸盐中转化为C ;固体氧化物中转化为O2-)写出正极反应,利用相减法(总反应-正极反应=负极反应),写出负极反应。
素养提升1.(2020山东化学,13)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如下图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是( )A.阳极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑B.电解一段时间后,阳极室的pH未变C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量
答案 D 解析 本题以“证据推理与模型认知”为测试宗旨,考查了电解池的工作原理及由电解现象进行的一些推断。图中电解池b极一端进入O2生成H2O2,其电极反应式为2H++O2+2e-==H2O2,发生还原反应,b极为阴极。同理阳极反应式为2H2O-4e-==4H++O2↑,H+由阳极区移向阴极区,A、C项正确。阳极区一段时间后,溶液pH不变;根据电子守恒可知生成的O2和消耗的O2物质的量之比为1∶2,D项错误。
2.(2019全国1,12)利用生物燃料电池原理研究室温下氨的合成,电池工作时MV2+/MV+在电极与酶之间传递电子,示意图如下所示。下列说法错误的是( )
A.相比现有工业合成氨,该方法条件温和,同时还可提供电能B.阴极区,在氢化酶作用下发生反应H2+2MV2+==2H++2MV+C.正极区,固氮酶为催化剂,N2发生还原反应生成NH3D.电池工作时质子通过交换膜由负极区向正极区移动
答案 B 解析 该过程是在室温条件下进行的,因此比现有工业合成氨的条件温和,同时还能提供电能,A项正确;阴极区发生的是得电子的反应,而左池中发生的是失电子的反应,B项错误;右池为正极区,氮气发生还原反应生成氨气,C项正确;左池中产生的氢离子通过交换膜向右池移动,即由负极区移向正极区,D项正确。
3. (双选)利用电解法制备Ca(H2PO4)2并得到副产物NaOH和Cl2。下列说法正确的是( )A.C膜为阳离子交换膜B.阴极室的电极反应为2H2O-4e-==O2↑+4H+C.可用铁电极替换阴极的石墨电极D.每转移2 ml e-,阳极室中c(Ca2+)降低1 ml·L-1
答案 AC 解析 通过图示分析可知,C膜只能是阳离子交换膜,A正确;阴极室的电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,B错误;阴极电极材料不参与反应,故可用铁电极替换阴极的石墨电极,C正确;未给出溶液体积,无法计算离子的浓度,D错误。
4. (双选)(2020河南天一大联考阶段检测)普通电解精炼铜的方法所制备的铜中仍含惰性杂质,利用下面的双膜(阴离子交换膜和过滤膜)电解装置可制备高纯度的Cu。下列有关叙述正确的是( )A.电极b为粗铜,电极a为精铜B.甲膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区C.乙膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区D.当电路中通过1 ml电子时,可生成32 g精铜
答案 AD 解析 由题意结合电解原理可知,电极a是阴极,应为精铜,电极b是阳极,应为粗铜,A项正确;甲膜为阴离子交换膜,可阻止杂质阳离子进入阴极区,B项错误;乙膜为过滤膜,可阻止阳极泥及漂浮物杂质进入阴极区,C项错误;当电路中通过1 ml电子时,可生成0.5 ml精铜,其质量为32 g,D项正确。
5.模拟电渗析法淡化海水的工作原理示意图如下。已知X、Y均为惰性电极,模拟海水中富含Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+、S 等离子。下列叙述不正确的是( )
A.N是阴离子交换膜B.Y电极上产生有色气体C.X电极区域有浑浊产生D.X电极反应为2H2O-4e-==4H++O2↑
答案 D 解析 Y电极为阳极,电极反应为2Cl--2e-==Cl2↑,为保持Y电极附近溶液呈电中性,M、N之间海水中的阴离子需透过离子交换膜N进入右侧溶液,则N为阴离子交换膜,A正确;电解时,Y电极上产生的Cl2为有色气体,B正确;X电极为阴极,发生还原反应,电极反应为2H2O+2e-==H2↑+2OH-,溶液中c(OH-)增大,易产生Mg(OH)2、Ca(OH)2沉淀而使X电极区域出现浑浊,C正确,D错误。
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