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2019-2020年高考化學大一輪復習 第六章 化學反應與能量 第三講 電解池金屬腐蝕與防護講義 [xx高考導航] 考綱要求 真題統(tǒng)計 命題趨勢 1.了解電解池的工作原理，能寫出電極反應和電池反應方程式。 2．理解金屬發(fā)生電化學腐蝕的原因，金屬腐蝕的危害，防止金屬腐蝕的措施。 xx，卷Ⅱ 28T(2)； xx，卷Ⅰ 27T(4)； xx，卷Ⅱ 27T(3) 　　預計xx年高考仍將重點考查電解池的工作原理，如陰陽極的判斷、電極反應式的書寫及溶液pH的變化等；借助電解原理進行的工業(yè)實際問題如新材料的制取等。復習備考時應注重電解原理的實質，從氧化還原反應的角度認識電化學，注重與元素化合物、有機化學、電解質溶液、化學實驗設計、新能源等知識的聯(lián)系。 考點一　電解原理[學生用書P145] 一、電解 使電流通過電解質溶液(或熔融的電解質)而在陰、陽兩極引起氧化還原反應的過程。在此過程中，電能轉化為化學能。 二、電解池 1．電解池的構成條件 (1)有與電源相連的兩個電極。 (2)兩個電極插入電解質溶液(或熔融鹽)中。 (3)形成閉合回路。 2．電極名稱及電極反應式 以用惰性電極電解CuCl2溶液為例： 總反應方程式：CuCl2Cu＋Cl2↑。 3．電解池中電子和離子的移動 (1)電子：從電源負極流出后，流向電解池陰極；從電解池的陽極流向電源的正極。 (2)離子：陽離子移向電解池的陰極，陰離子移向電解池的陽極。 三、陰、陽極的判斷及電極反應式的書寫 1．判斷電解池的陰、陽極 (1)根據外接電源的正、負極判斷 電源正極連接陽極；電源負極連接陰極。 (2)根據電極產物判斷 電極溶解、逸出O2(或電極區(qū)變酸性)或逸出Cl2的為陽極；析出金屬、逸出H2(或電極區(qū)變堿性)的為陰極。 2．電極反應式的書寫步驟 (1)分析電解質水溶液的組成：找全離子并分陰、陽兩組(不要忘記水溶液中的H＋和OH－)。 (2)排出陰、陽兩極的放電順序 ①陽極 活性電極(Zn、Fe、Cu等)：電極材料失電子； 惰性陽極(Pt、Au、石墨等)：S2－>I－>Br－>Cl－>OH－>含氧酸根。 ②陰極 Ag＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋(酸中)>Fe2＋>Zn2＋。 (3)寫出兩極電極反應式 ①陽極：活性電極失去電子生成相應的金屬陽離子；溶液中的陰離子失去電子生成相應的單質或高價態(tài)化合物。 ②陰極：溶液中的陽離子得到電子生成相應的單質或低價態(tài)化合物。 (4)寫出電解總反應式 在兩極轉移電子數目相同的前提下，兩極反應式相加即可得總反應的化學方程式或離子方程式。 1．分析電解下列物質的過程，并總結電解規(guī)律(用惰性電極電解)。 電解質 (水溶液) 電極反應式 被電 解的 物質 總化學方程式 或離子方程式 電解 質濃 度變 化 溶液 pH 變化 電解質溶 液復原 方法 含氧酸 (如 H2SO4) 　陽極： ____________________________________　 　陰極：________________________________________________　 加______ 強堿(如 NaOH) 　陽極： ____________________________________________________________　 　陰極： ____________________________________________________________　 加______ 活潑金屬 的含氧酸 鹽(如 KNO3、 Na2SO4) 　陽極： ____________________________________________________________　 　陰極：________________________________________________________________________　 加______ 無氧酸 (如HCl， 除HF外) 　陽極： ____________________________________________________________　 　陰極： ____________________________________________________________　 續(xù)　表 電解質 (水溶液) 電極反應式 被電 解的 物質 總化學方程式 或離子方程式 電解 質濃 度變 化 溶液 pH 變化 電解質溶 液復原 方法 不活潑金 屬的無氧 酸鹽(如 CuCl2， 除氟化 物外) 　陽極： _______________________________________________________________　 　陰極： _______________________________________________________________　 加______ 活潑金屬 的無氧酸 鹽(如 NaCl) 　陽極： _______________________________________________________________　 　陰極：_____________________________________________　 水和 鹽 生成 新電 解質 不活潑金 屬的含氧 酸鹽(如 CuSO4) 　陽極： _______________________________________________________________　 　陰極： _______________________________________________________________　 2Cu2＋＋2H2O 2Cu＋O2↑ ＋4H＋ 生成 新電 解質 加______ (1)電解過程中放H2生堿型和放O2生酸型的實質是什么？在放H2生堿型的電解中，若滴入酚酞試液，哪一極附近溶液變紅？電解質溶液的復原遵循什么原則？ (2)①上表中要使電解后的NaCl溶液復原，滴加鹽酸可以嗎？ ②上表中要使電解后的CuSO4溶液復原，加入Cu(OH)2固體可以嗎？ 答案：(從左到右，從上到下)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 4H＋＋4e－===2H2↑　水　2H2OO2↑＋2H2↑　增大　減小　水 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　4H＋＋4e－===2H2↑　水 2H2OO2↑＋2H2↑　增大　增大　水 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　4H＋＋4e－===2H2↑　水 2H2OO2↑＋2H2↑　增大　不變　水 2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑　酸　2HClCl2↑＋H2↑　減小　增大　通入HCl氣體 2Cl－－2e－===Cl2↑　Cu2＋＋2e－===Cu　鹽　CuCl2Cu＋Cl2↑　減小　CuCl2 2Cl－－2e－===Cl2↑　2H＋＋2e－===H2↑　2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－　增大　通入HCl氣體 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O　2Cu2＋＋4e－===2Cu　水和鹽　減小　CuO(或CuCO3) (1)放H2生堿型實質是水電離出H＋在陰極上放電，破壞了陰極附近水的電離平衡，使OH－濃度增大，若滴入酚酞試液，陰極附近溶液變紅；放O2生酸型的實質是水電離出OH－在陽極上放電，破壞了陽極附近水的電離平衡，使H＋濃度增大。電解質溶液的復原應遵循“從溶液中析出什么補什么”的原則，即從溶液中析出哪種元素的原子，則應按比例補入哪些原子。 (2)①電解NaCl溶液時析出的是等物質的量的Cl2和H2，所以應通入氯化氫氣體，加入鹽酸會引入過多的水。 ②不可以，加入Cu(OH)2固體會使溶液的濃度比原來低。 2．按要求書寫有關的電極反應式及總方程式。 (1)用惰性電極電解AgNO3溶液 陽極反應式：________________________________________________________________________； 陰極反應式：________________________________________________________________________； 總反應離子方程式：________________________________________________________________________。 (2)用惰性電極電解MgCl2溶液 陽極反應式：________________________________________________________________________； 陰極反應式：________________________________________________________________________； 總反應離子方程式：________________________________________________________________________。 (3)用銅作電極電解NaCl溶液 陽極反應式：________________________________________________________________________； 陰極反應式：________________________________________________________________________； 總反應化學方程式：________________________________________________________________________。 (4)用銅作電極電解HCl溶液 陽極反應式：________________________________________________________________________； 陰極反應式：________________________________________________________________________； 總反應離子方程式：________________________________________________________________________。 解析：注意陽極若是活性材料，則陽極金屬失電子形成離子。 答案：(1)4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 4Ag＋＋4e－===4Ag 4Ag＋＋2H2O4Ag＋O2↑＋4H＋ (2)2Cl－－2e－===Cl2↑ 2H＋＋2e－===H2↑ Mg2＋＋2Cl－＋2H2OMg(OH)2↓＋Cl2↑＋H2↑ (3)Cu－2e－===Cu2＋ 2H＋＋2e－===H2↑ Cu＋2H2OCu(OH)2↓＋H2↑ (4)Cu－2e－===Cu2＋ 2H＋＋2e－===H2↑ Cu＋2H＋Cu2＋＋H2↑ 名師點撥 　電解過程中溶液pH的變化規(guī)律 (1)電解時，只生成H2而不生成O2，則溶液的pH增大。 (2)電解時，只生成O2而不生成H2，則溶液的pH減小。 (3)電解時，既生成H2又生成O2，則實際為電解H2O。 ①若原溶液為酸性溶液，則溶液的pH減??； ②若原溶液為堿性溶液，則溶液的pH增大； ③若原溶液為中性溶液，則溶液的pH不變。 　(xx高考福建卷)某模擬“人工樹葉”電化學實驗裝置如下圖所示，該裝置能將H2O和CO2轉化為O2和燃料(C3H8O)。下列說法正確的是(　　) A．該裝置將化學能轉化為光能和電能 B．該裝置工作時，H＋從b極區(qū)向a極區(qū)遷移 C．每生成1 mol O2，有44 g CO2被還原 D．a電極的反應為3CO2＋18H＋－18e－===C3H8O＋5H2O [解析]　該裝置為電解裝置，模擬“人工樹葉”，故為電能轉化為化學能，A項錯誤；b極連接電源的正極，為陽極，H＋為陽離子，在電解池中向a極(陰極)區(qū)移動，B項正確；右側H2O→O2發(fā)生的是氧化反應，每生成1 mol O2，轉移4 mol電子，C3H8O中碳元素的化合價是－2，3CO2→C3H8O，轉移18 mol電子，故生成1 mol O2消耗 2/3 mol CO2，C項錯誤；a電極發(fā)生的是還原反應：3CO2＋18H＋＋18e－===C3H8O＋5H2O，D項錯誤。 [答案]　B 寫出例1中b電極上的反應式以及該裝置的總反應的化學方程式。 答案：b電極上的電極反應式：2H2O－4e－===O2＋4H＋； 總反應的化學方程式：6CO2＋8H2O===9O2＋2C3H8O。 分析電解過程的思維程序 (1)首先判斷陰、陽極，分析陽極材料是惰性電極還是活潑電極。 (2)再分析電解質水溶液的組成，找全離子并分陰、陽兩組(不要忘記水溶液中的H＋和OH－)。 (3)然后排出陰、陽兩極的放電順序。 [注意]?、訇帢O不管是什么材料，電極本身都不反應，一定是溶液(或熔融電解質)中的陽離子放電。②最常用、最重要的放電順序是陽極：Cl－>OH－；陰極：Ag＋>Cu2＋>H＋。③電解水溶液時，K＋、Ca2＋、Na＋、Mg2＋、Al3＋不可能在陰極放電，即不可能用電解水溶液的方法得到K～Al等金屬。 (4)分析電極反應，判斷電極產物，寫出電極反應式，要注意遵循原子守恒和電荷守恒。 (5)最后寫出電解反應的總化學方程式或離子方程式。 題組一　電解原理的考查 1．(教材改編)判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“”) (1)電解是將電能轉化為化學能。(　　) (2)電解質溶液導電是化學變化，金屬導電是物理變化。(　　) (3)電解池的陽極和原電池的正極都發(fā)生氧化反應。(　　) (4)電解NaCl溶液的陽極反應一定是2Cl－－2e－===Cl2↑。(　　) 解析：原電池的正極發(fā)生還原反應，(3)錯；電解NaCl溶液時若用活潑金屬作陽極，則活潑金屬失電子，(4)錯。 答案：(1)√　(2)√　(3)　(4) 2．(xx高考上海卷)如圖所示，將鐵棒和石墨棒插入盛有飽和NaCl溶液的U型管中。下列分析正確的是(　　) A．K1閉合，鐵棒上發(fā)生的反應為2H＋＋2e－===H2↑ B．K1閉合，石墨棒周圍溶液pH逐漸升高 C．K2閉合，鐵棒不會被腐蝕，屬于犧牲陽極的陰極保護法 D．K2閉合，電路中通過0.002NA個電子時，兩極共產生0.001 mol 氣體 解析：選B。K1閉合構成原電池，鐵是活潑的金屬，鐵棒是負極，鐵失去電子，發(fā)生的反應為Fe－2e－===Fe2＋；石墨棒是正極，溶液中的氧氣得到電子轉化為OH－，電極反應式為O2＋4e－＋2H2O===4OH－，石墨棒周圍溶液pH逐漸升高，A不正確，B正確。K2閉合構成電解池，鐵棒與電源的負極相連，作陰極，溶液中的氫離子放電產生氫氣，鐵不會被腐蝕，屬于外加電流的陰極保護法；石墨棒是陽極，溶液中的氯離子放電生成氯氣，兩極電極反應式分別為2H＋＋2e－===H2↑、2Cl－－2e－===Cl2↑，電路中通過0.002NA個電子時，兩極均產生 0.001 mol氣體，共計是0.002 mol氣體，C、D均不正確。 題組二　電極反應式的書寫 3．[xx高考全國卷Ⅱ，27－(3)]PbO2也可以通過石墨為電極，Pb(NO3)2和Cu(NO3)2的混合溶液為電解液電解制取。陽極發(fā)生的電極反應式為________________________________________________________________________。 陰極上觀察到的現(xiàn)象是________________________________________________________________________； 若電解液中不加入Cu(NO3)2，陰極發(fā)生的電極反應式為________________________________________________________________________， 這樣做的主要缺點是________________________________________________________________________。 解析：電解池的陽極發(fā)生失電子反應(氧化反應)，因為Pb2＋→PbO2屬于氧化反應，所以發(fā)生的電極反應為Pb2＋＋2H2O－2e－===PbO2＋ 4H＋；由于Cu2＋的放電能力強于 Pb2＋，故陰極上的電極反應為Cu2＋＋2e－===Cu，則陰極產生的現(xiàn)象是石墨上包上銅鍍層；若電解液中不加入Cu(NO3)2，陰極發(fā)生的電極反應式為Pb2＋＋2e－===Pb，這樣一來就不能有效利用Pb2＋。 答案：Pb2＋＋2H2O－2e－PbO2＋4H＋　石墨上包上銅鍍層　Pb2＋＋2e－===Pb　不能有效利用Pb2＋ 4．用惰性電極電解NaCl和CuSO4的混合溶液，電解過程中兩極均有兩種產物產生，判斷陰、陽兩極的產物并寫出電極反應方程式。 (1)陽極 產物：____________________； 電極反應：________________________________________________________________________。 (2)陰極 產物：____________________； 電極反應：________________________________________________________________________。 解析：在混合液中，尤其注意離子的放電順序，溶液中的陰離子有Cl－、SO、OH－，放電順序為Cl－>OH－>SO，陽離子有Na＋、Cu2＋、H＋，放電順序為Cu2＋>H＋>Na＋，結合題中“兩極均有兩種產物產生”，按順序寫出電極反應式即可。 答案：(1)Cl2、O2　2Cl－－2e－===Cl2↑、4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ (2)Cu、H2　Cu2＋＋2e－===Cu、2H＋＋2e－===H2↑ 書寫電解池電極方程式的四個常見失分點 (1)書寫電解池中電極反應式時，要以實際放電的離子表示，但書寫總電解反應離子方程式時，弱電解質要寫成分子式。 (2)陰極不管是什么材料，電極本身都不反應，一定是溶液(或熔融電解質)中的陽離子放電。 (3)要確保兩極電子轉移數目相同，且總反應式注明條件“電解”。 (4)電解水溶液時，應注意放電順序中H＋、OH－之后的離子一般不參與放電。 考點二　電解原理的應用[學生用書P147] 一、電解飽和食鹽水 1．電極反應 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑(反應類型：氧化反應)。 陰極：2H＋＋2e－===H2↑(反應類型：還原反應)。 2．總反應化學方程式及離子方程式 化學方程式：2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑； 離子方程式：2Cl－＋2H2O2OH－＋H2↑＋Cl2↑。 3．應用：氯堿工業(yè)制燒堿、氯氣和氫氣。 二、電鍍和電解精煉銅 電鍍(Fe表面鍍Cu) 電解精煉銅 陽極 電極材料 鍍層金屬銅 粗銅(含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等雜質) 電極反應 Cu－2e－===Cu2＋ Zn－2e－===Zn2＋ Fe－2e－===Fe2＋ Ni－2e－===Ni2＋ Cu－2e－===Cu2＋ 陰極 電極材料 待鍍金屬鐵 純銅 電極反應 Cu2＋＋2e－===Cu 電解質溶液 含Cu2＋的鹽溶液 注：電解精煉銅時，粗銅中的Ag、Au等不反應，沉積在電解池底部形成陽極泥 三、電冶金 利用電解熔融鹽或氧化物的方法來冶煉活潑金屬Na、Ca、Mg、Al等。 1．冶煉鈉 2NaCl2Na＋Cl2↑ 電極反應： 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑； 陰極：2Na＋＋2e－===2Na。 2．冶煉鎂 MgCl2Mg＋Cl2↑ 電極反應： 陽極：2Cl－－2e－===Cl2↑； 陰極：Mg2＋＋2e－===Mg。 3．冶煉鋁 2Al2O34Al＋3O2↑ 電極反應： 陽極：6O2－－12e－===3O2↑； 陰極：4Al3＋＋12e－===_4Al。 1．(教材改編)連一連。 (a)原電池負極 (b)原電池正極　　　　　　　　　(1)氧化反應 (c)電解池陽極 (d)電鍍池鍍件 (e)氯堿工業(yè)生成H2的電極 (2)還原反應 (f)電解精煉的粗銅 答案：(a)—(1)　(b)—(2)　(c)—(1)　(d)—(2)　(e)—(2)　(f)—(1) 2．電解尿素[CO(NH2)2]的堿性溶液制氫氣的裝置示意圖如下： 電解池中隔膜僅阻止氣體通過，陰、陽兩極均為惰性電極。 (1)A極為________，電極反應式為________________________________________。 (2)B極為________，電極反應式為________________________________________。 解析：H2產生是因為H2O電離的H＋在陰極上得電子，即6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－，所以B極為陰極，A極為陽極，電極反應式為CO(NH2)2－6e－＋8OH－===N2↑＋CO＋6H2O。 答案：(1)陽極　CO(NH2)2＋8OH－－6e－===N2↑＋CO＋6H2O　(2)陰極　6H2O＋6e－===3H2↑＋6OH－ 名師點撥 在電解原理的幾個常見應用中，電鍍和電解精煉銅比較相似，但注意區(qū)別：電鍍過程中，溶液中離子濃度不變，電解精煉銅時，由于粗銅中含有Zn、Fe、Ni等活潑金屬，反應過程中失去電子形成陽離子存在于溶液中，而陰極上Cu2＋被還原，所以電解精煉過程中，溶液中的陽離子濃度會發(fā)生變化，同時陰、陽兩極的質量變化也不相等。 　(xx高考上海卷)氯堿工業(yè)以電解精制飽和食鹽水的方法制取氯氣、氫氣、燒堿和氯的含氧酸鹽等系列化工產品。下圖是離子交換膜法電解食鹽水的示意圖，圖中的離子交換膜只允許陽離子通過。 完成下列填空： (1)離子交換膜的作用為________________________________________________________________________、 ____________________________________。 (2)精制飽和食鹽水從圖中________位置補充，氫氧化鈉溶液從圖中________位置流出。(選填“a”“b”“c”或“d”) [解析]　(1)圖中的離子交換膜只允許陽離子通過，是陽離子交換膜，不能使陰離子和氣體通過，這樣就可以阻止陽極的Cl－和產生的Cl2進入陰極室，使在陰極區(qū)產生的NaOH純度更高；同時可以阻止陽極產生的Cl2和陰極產生的H2混合發(fā)生反應而爆炸。 (2)隨著電解的進行，溶質NaCl不斷消耗，所以應該及時補充。精制飽和食鹽水從與陽極連接的圖中a位置補充，由于陰極H＋不斷放電，附近的溶液顯堿性，氫氧化鈉溶液從圖中d位置流出；水不斷消耗，所以從b位置不斷加入蒸餾水，從c位置流出的是稀的NaCl溶液。 [答案]　(1)能得到純度更高的氫氧化鈉溶液　阻止陽極產生的Cl2和陰極產生的H2混合發(fā)生反應而爆炸 (2)a　d 　電解氯化鈉溶液時，如何用簡便的方法檢驗產物？ 答案：陽極產物Cl2可以用淀粉KI試紙檢驗，陰極產物H2可以通過點燃法檢驗，NaOH可以用酚酞試劑檢驗。 工業(yè)上用粗鹽生產燒堿、氯氣和氫氣的過程 題組一　電解原理的常規(guī)應用 1．(教材改編) 利用如圖所示裝置模擬電解原理在工業(yè)生產上的應用。下列說法正確的是(　　) A．氯堿工業(yè)中，X電極上反應式是4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ B．電解精煉銅時，Z溶液中的Cu2＋濃度不變 C．在鐵片上鍍銅時，Y是純銅 D．制取金屬鎂時，Z是熔融的氯化鎂 答案：D 2．以KCl和ZnCl2混合液為電鍍液在鐵制品上鍍鋅，下列說法正確的是(　　) A．未通電前上述鍍鋅裝置可構成原電池，電鍍過程是該原電池的充電過程 B．因部分電能轉化為熱能，電鍍時通過的電量與鋅的析出量無確定關系 C．電鍍時保持電流恒定，升高溫度不改變電解反應速率 D．鍍鋅層破損后即對鐵制品失去保護作用 答案：C 題組二　電解原理的綜合應用 3．(xx高考浙江卷)在固態(tài)金屬氧化物電解池中，高溫共電解H2OCO2混合氣體制備H2和CO是一種新的能源利用方式，基本原理如下圖所示。下列說法不正確的是(　　) A．X是電源的負極 B．陰極的電極反應式是H2O＋2e－===H2＋O2－ CO2＋2e－===CO＋O2－ C．總反應可表示為H2O＋CO2H2＋CO＋O2 D．陰、陽兩極生成的氣體的物質的量之比是1∶1 解析：選D。A項，根據圖示，X極產物為H2和CO，是H2O與CO2的還原產物，可判斷在X極上發(fā)生還原反應，由此判斷X極為電源的負極，A項正確；B項，根據題意，電解質為固體金屬氧化物，可以傳導O2－，故在陰極上發(fā)生的反應為H2O＋2e－===H2＋O2－、CO2＋2e－===CO＋O2－，B項正確；C項，根據電極產物及B項發(fā)生的電極反應可知，該反應的總反應方程式為H2O＋CO2H2＋CO＋O2，C項正確；D項，根據C項的電解總反應方程式可知，陰、陽兩極生成的氣體的物質的量之比為2∶1，D項錯誤。 4．(xx高考山東卷)利用LiOH和鈷氧化物可制備鋰離子電池正極材料。LiOH可由電解法制備，鈷氧化物可通過處理鈷渣獲得。 利用如右所示裝置電解制備LiOH，兩電極區(qū)電解液分別為LiOH和LiCl溶液。B極區(qū)電解液為________溶液(填化學式)，陽極電極反應式為________________________________________________________________________， 電解過程中Li＋向________電極遷移(填“A”或“B”)。 解析：根據電解裝置圖，兩電極區(qū)電解液分別為LiOH和LiCl溶液，B極區(qū)產生H2，電極反應式為2H＋＋2e－===H2↑，剩余OH－與Li＋結合生成LiOH，所以B極區(qū)電解液應為LiOH溶液，B電極為陰極，則A電極應為陽極。陽極區(qū)電解液應為LiCl溶液，電極反應式為2Cl－－2e－===Cl2↑。根據電流方向，電解過程中Li＋向B電極遷移。 答案：LiOH　2Cl－－2e－===Cl2↑　B　 電解原理應用中的注意要點 (1)電解或電鍍時，電極質量減少的電極必為金屬電極——陽極；電極質量增加的電極必為陰極，即溶液中的金屬陽離子得電子變成金屬吸附在陰極上。 (2)電解精煉銅，粗銅中含有的Zn、Fe、Ni等活潑金屬失去電子，變成金屬陽離子進入溶液；活潑性小于銅的雜質以陽極泥的形式沉積。電解過程中電解質溶液中的Cu2＋濃度會逐漸減小。 (3)電鍍時，陽極鍍層金屬失去電子的數目跟陰極鍍層金屬離子得到電子的數目相等，因此電鍍液的濃度保持不變。 考點三　有關電化學的計算[學生用書P149] 1．計算類型 原電池和電解池的計算包括兩極產物的定量計算、溶液pH的計算、相對原子質量和阿伏加德羅常數的計算、產物的量與電量關系的計算等。 2．方法技巧 (1)根據電子守恒計算 用于串聯(lián)電路中陰陽兩極產物、正負兩極產物、相同電量等類型的計算，其依據是電路中轉移的電子數相等。 (2)根據總反應式計算 先寫出電極反應式，再寫出總反應式，最后根據總反應式列出比例式計算。 (3)根據關系式計算 根據得失電子守恒建立起已知量與未知量之間的橋梁，構建計算所需的關系式。 如以通過4 mol e－為橋梁可構建如下關系式： 4e－～2Cl2(Br2、I2)～O2陽極產物～2H2～2Cu～4Ag～M陰極產物 (式中M為金屬，n為其離子的化合價數值) 1．用惰性電極電解下列溶液，在陰、陽兩極生成氣體的體積比為1∶1的是(　　) A．NaCl溶液　　　　　　　 B．CuCl2溶液 C．CuSO4溶液 D．KOH溶液 解析：選A。A項，電解方程式為2NaCl＋2H2OCl2↑(陽極)＋H2↑(陰極)＋2NaOH，A正確；B項，電解方程式為CuCl2Cu(陰極)＋Cl2↑(陽極)，陰極沒有氣體生成，B不正確；C項，電解方程式為2CuSO4＋2H2O2Cu(陰極)＋O2↑(陽極)＋2H2SO4，陰極沒有氣體生成，C不正確；D項，電解方程式為2H2O2H2↑(陰極)＋O2↑(陽極)，陰、陽兩極生成氣體的體積比為2∶1，D不正確。 2．用惰性電極按下圖中裝置完成實驗，其中A、B兩燒杯分別盛放200 g 10% NaOH溶液和足量CuSO4溶液。通電一段時間后，c極上有Cu析出，又測得A燒杯溶液中NaOH的質量分數為10.23%。試回答下列問題： (1)電源的P極為________極。 (2)b極產生氣體的體積為________L(標準狀況)。 (3)c極上析出Cu的質量為________g。 (4)d極上所發(fā)生的電極反應為________________________________________________________________________。 解析：m(NaOH)＝200 g10%＝20 g。電解后溶液的質量為＝195.5 g。被電解的水的質量為200 g－195.5 g＝4.5 g，其物質的量為0.25 mol。由此可知，b極產生的O2為0.125 mol，其在標準狀況下的體積為2.8 L。根據電子得失守恒得：0.125 mol4＝n(Cu)2，解得n(Cu)＝0.25 mol，則m(Cu)＝16 g。 答案：(1)負　(2)2.8　(3)16 (4)2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 名師點撥 在電化學計算中，除上述常見問題外，還常利用Q＝It和Q＝n(e－)NA1.6010－19C＝n(e－)F來計算電路中通過的電量，要熟練掌握。 　(xx安徽六校聯(lián)考)新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH4和O2，電解質溶液為KOH溶液。某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液電解實驗，如圖所示。 回答下列問題： (1)甲烷燃料電池正極、負極的電極反應分別為__________________________、________________________________________________________________________； (2)閉合K開關后，a、b電極上均有氣體產生，其中b電極上得到的是________________，電解氯化鈉溶液的總反應方程式為________________________________________________________________________； (3)若每個電池中甲烷通入量均為1 L(標準狀況)，且反應完全，則理論上通過電解池的電量為________________________________________________________________________ ________________(法拉第常數F＝9.65104 Cmol－1，列式計算)，最多能產生的氯氣體積為________L(標準狀況)。 [解析]　(1)總反應式為CH4＋2O2＋2OH－===CO＋3H2O，正極反應式為2O2＋4H2O＋8e－===8OH－，則負極反應式由總反應式減正極反應式得到；(2)由圖可看出通入甲烷的一極為負極，因而與之相連的b電極為陰極，產生的氣體為氫氣；(3)1 mol甲烷被氧化失去8 mol電子，電量為(896 500) C，因題中雖有兩個燃料電池，但為串聯(lián)電路，電子的傳遞只能用一個池的甲烷量計算，1 L甲烷為1/22.4 mol，可求理論上通過電解池的電量；甲烷失電子數是Cl－失電子數的8倍，則得到氯氣的體積為4 L(CH4～8e－～8Cl－～4Cl2)。 [答案]　(1)2O2＋4H2O＋8e－===8OH－ CH4＋10OH－－8e－===CO＋7H2O (2)H2　2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ (3)89.65104 Cmol－1＝3.45104 C　4 例3中若每個電池中甲烷通入量均為0.28 L(標準狀況)，且反應完全，則最多能產生的氫氣體積為________L(標準狀況)，若氯化鈉溶液的體積為100 mL，則電解所得溶液的pH＝________(忽略電解前后溶液體積變化)。 解析：甲烷失電子數同樣是H＋得電子數的8倍，則得到氫氣的體積為0.28 L4＝1.12 L(CH4～8e－～8H＋～4H2)；甲烷失電子數也是OH－的8倍，則c(OH－)＝＝1.0 molL－1，所以溶液pH＝14。 答案：1.12　14 題組　電化學的計算 1．(xx開封高三模擬)用兩支惰性電極插入CuSO4溶液中，通電電解，當有110－3 mol的OH－放電時，溶液顯淺藍色，則下列敘述正確的是(　　) A．陽極上析出3.6 mL O2(標準狀況) B．陰極上析出32 mg Cu C．陰極上析出11.2 mL H2(標準狀況) D．陽極和陰極質量都無變化 解析：選B。用惰性電極電解CuSO4溶液時，電極反應為陰極：2Cu2＋＋4e－===2Cu，陽極：4OH－－4e－===O2↑＋2H2O。當有110－3 mol的OH－放電時，生成標準狀況下的O2為5.6 mL，在陰極上析出32 mg Cu，陰極質量增加。 2．將兩個鉑電極插入500 mL CuSO4溶液中進行電解，通電一定時間后，某一電極增重0.064 g(設電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化)，此時溶液中氫離子濃度約為(　　) A．410－3 mol/L　　　　　　 B．210－3 mol/L C．110－3 mol/L D．110－7 mol/L 解析：選A。陰極反應：Cu2＋＋2e－===Cu，增重0.064 g應是Cu的質量，設生成H＋的物質的量為x，根據總反應方程式： 2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋ 　　　　　　264 g　　4 mol 0.064 g x x＝0.002 mol c(H＋)＝＝410－3 mol/L。 考點四　金屬的腐蝕與防護[學生用書P150] 一、化學腐蝕和電化學腐蝕的比較 類型 化學腐蝕 電化學腐蝕 條件 金屬與接觸到的物質直接反應 不純金屬接觸到電解質溶液發(fā)生原電池反應 本質 M－ne－===Mn＋ 現(xiàn)象 金屬被腐蝕 較活潑金屬被腐蝕 區(qū)別 無電流產生 有電流產生 聯(lián)系 兩者往往同時發(fā)生，電化學腐蝕更普遍 二、鋼鐵的析氫腐蝕和吸氧腐蝕 類型 析氫腐蝕 吸氧腐蝕 水膜性質 (強)酸性 弱酸性或中性 正極反應 2H＋＋2e－===H2↑ 2H2O＋O2＋4e－===4OH－ 負極反應 Fe－2e－===Fe2＋ 總反應 Fe＋2H＋=== Fe2＋＋H2↑ 2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2 其他反應 鐵銹的形成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，2Fe(OH)3===Fe2O3xH2O(鐵銹)＋(3－x)H2O 三、金屬的防護 1．電化學防護 (1)犧牲陽極的陰極保護法——利用原電池原理 ①負極(陽極)是作保護材料的金屬； ②正極(陰極)是被保護的金屬設備。 (2)外加電流的陰極保護法——利用電解原理 ①陰極是被保護的金屬設備； ②陽極是惰性電極。 2．其他方法 (1)改變金屬內部結構，如制成合金； (2)使金屬與空氣、水等物質隔離，如電鍍、噴油漆等。 1．判斷正誤(正確的打“√”，錯誤的打“”) (1)所有金屬純度越大，越不易被腐蝕。(　　) (2)純銀器表面變黑和鋼鐵表面生銹腐蝕原理一樣。(　　) (3)干燥環(huán)境下金屬不被腐蝕。(　　) (4)Al、Fe、Cu在潮濕的空氣中腐蝕均生成氧化物。(　　) (5)鋼鐵發(fā)生電化學腐蝕時，負極鐵失去電子生成Fe3＋。(　　) (6)在金屬表面覆蓋保護層，若保護層破損后，就完全失去了對金屬的保護作用。(　　) (7)外加電流的陰極保護法利用了電解原理；犧牲陽極的陰極保護法利用了原電池原理。二者均能有效地保護金屬不容易被腐蝕。(　　) 答案：(1)　(2)　(3)　(4)　(5)　(6)　(7)√ 2．下面各容器中盛有海水，鐵在其中被腐蝕時由快到慢的順序是(　　) A．④>②>①>③　　　　　　 B．②>①>③>④ C．④>②>③>① D．③>②>④>① 答案：A 名師點撥 影響金屬腐蝕的因素包括金屬本身的性質和外界環(huán)境兩個方面。就金屬本身的性質來說，金屬越活潑，就越容易失去電子而被腐蝕。外界環(huán)境對金屬腐蝕的影響也很大，如果金屬在潮濕的空氣中，接觸腐蝕性氣體或電解質溶液，都容易被腐蝕。由于在通常情況下，金屬表面不會遇到酸性較強的溶液，所以吸氧腐蝕是金屬腐蝕的主要形式，而且析氫腐蝕最終也會被吸氧腐蝕所代替。 　(xx高考重慶卷)我國古代青銅器工藝精湛，有很高的藝術價值和歷史價值。但出土的青銅器大多受到環(huán)境腐蝕，故對其進行修復和防護具有重要意義。 (1)研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕嚴重的青銅器表面大都存在CuCl。關于CuCl在青銅器腐蝕過程中的催化作用，下列敘述正確的是________。 A．降低了反應的活化能 B．增大了反應的速率 C．降低了反應的焓變 D．增大了反應的平衡常數 (2)采用“局部封閉法”可以防止青銅器進一步被腐蝕。如將糊狀Ag2O涂在被腐蝕部位，Ag2O與有害組分CuCl發(fā)生復分解反應，該化學方程式為________________________________________________________________________。 (3)如圖為青銅器在潮濕環(huán)境中發(fā)生電化學腐蝕的原理示意圖。 ①腐蝕過程中，負極是________(填圖中字母“a”或“b”或“c”)； ②環(huán)境中的Cl－擴散到孔口，并與正極反應產物和負極反應產物作用生成多孔粉狀銹Cu2(OH)3Cl，其離子方程式為________________________________________________________________________； ③若生成4.29 g Cu2(OH)3Cl，則理論上耗氧體積為______L(標準狀況)。 [解析]　(1)催化劑能降低反應的活化能和加快反應速率，但不改變反應的平衡常數和焓變，所以A、B正確。 (2)復分解反應為相互交換成分的反應，因此該反應的化學方程式為Ag2O＋2CuCl===2AgCl＋Cu2O。 (3)①負極發(fā)生失電子的反應，銅作負極失電子，因此負極為c。負極反應：Cu－2e－===Cu2＋，正極反應：O2＋2H2O＋4e－===4OH－。 ②正極反應產物為OH－，負極反應產物為Cu2＋，兩者與Cl－反應生成Cu2(OH)3Cl，其離子方程式為2Cu2＋＋3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓。 ③4.29 g Cu2(OH)3Cl的物質的量為0.02 mol，由Cu元素守恒知，發(fā)生電化學腐蝕失電子的Cu單質的物質的量為0.04 mol，失去電子0.08 mol，根據電子守恒可得，消耗O2的物質的量為0.02 mol，所以理論上消耗氧氣的體積為0.448 L(標準狀況)。 [答案]　(1)AB (2)Ag2O＋2CuCl===2AgCl＋Cu2O (3)①c　②2Cu2＋＋3OH－＋Cl－===Cu2(OH)3Cl↓?、?.448 在日常生產和生活中，鋼鐵制品比銅制品更普遍，鋼鐵的腐蝕原理更需要了解。試敘述鋼鐵生銹(Fe2O3xH2O)的主要過程。 答案：(1)吸氧腐蝕： 負極：2Fe－4e－===2Fe2＋， 正極：O2＋2H2O＋4e－===4OH－， 原電池反應：2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2。 (2)Fe(OH)2被氧化： 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。 (3)Fe(OH)3分解形成鐵銹： 2Fe(OH)3===Fe2O3xH2O＋(3－x)H2O。 (1)判斷析氫腐蝕與吸氧腐蝕的依據 正確判斷“介質”溶液的酸堿性是分析析氫腐蝕和吸氧腐蝕的關鍵。潮濕的空氣、中性溶液發(fā)生吸氧腐蝕；NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液發(fā)生析氫腐蝕。 (2)判斷電極附近溶液pH變化，可以通過一般經驗進行判斷：不論原電池還是電解池，如果pH發(fā)生變化，一般失電子的電極pH減小，得電子的電極pH增大。 題組一　吸氧腐蝕與析氫腐蝕的辨析 1．如圖裝置中，小試管內為紅墨水，具支試管內盛有pH＝4久置的雨水和生鐵片。實驗時觀察到：開始時導管內液面下降，一段時間后導管內液面回升，略高于小試管內液面。下列說法正確的是(　　) A．生鐵片中的碳是原電池的陽極，發(fā)生還原反應 B．雨水酸性較強，生鐵片僅發(fā)生析氫腐蝕 C．墨水回升時，碳電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．具支試管中溶液pH減小 解析：選C。生鐵片中的碳是原電池的正極，A錯；雨水酸性較強，開始時鐵片發(fā)生析氫腐蝕，產生氫氣，導管內液面下降，一段時間后鐵片發(fā)生吸氧腐蝕，吸收氧氣，導管內液面回升，B錯；墨水回升時，鐵片發(fā)生吸氧腐蝕，碳極為正極，電極反應為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C對；鐵片無論是發(fā)生析氫腐蝕還是吸氧腐蝕，具支試管內溶液pH均增大，D錯。 2. 按如圖所示裝置，進行鐵釘被腐蝕的實驗，一周后觀察(設水不蒸發(fā))。 (1)若試管中液面上升，發(fā)生的是________腐蝕，則正極反應式為______________________， 負極反應式為______________________________________。要順利完成此實驗， 所用的電解質溶液可以是_______________________________________?！　　　　　? (2)若試管中液面下降，發(fā)生的是__________腐蝕，正極反應式為________________，負極反應式為 ________________________________。要順利完成此實驗， 所用的電解質溶液可以是____________________________________________。 答案：(1)吸氧　2H2O＋O2＋4e－===4OH－　2Fe－4e－===2Fe2＋　氯化鈉溶液(或其他合理答案) (2)析氫　2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋　　　稀硫酸(或其他合理答案) 題組二　金屬腐蝕的影響因素與金屬的防護 3．相同材質的鐵在下列情形下最不易被腐蝕的是(　　) 解析：選C。A、D均可由Fe、Cu構成原電池而加速鐵的腐蝕；在B中，食鹽水提供電解質溶液環(huán)境，炒鍋和鐵鏟都是鐵碳合金，符合原電池形成的條件，鐵是活潑金屬作負極，易被腐蝕；C中銅鍍層把鐵完全覆蓋，構不成原電池而不被腐蝕。 4．利用如圖裝置，可以模擬鐵的電化學防護。若X為碳棒，為減緩鐵的腐蝕，開關K應置于__________處。若X為鋅，開關K置于M處，該電化學防護法稱為________________________________________________________________________。 解析：鐵被保護，可以是作原電池的正極，或者電解池的陰極，故若X為碳棒，開關K應置于N處，F(xiàn)e作陰極受到保護；若X為鋅，開關K置于M處，鐵作正極，鋅作負極，稱為犧牲陽極的陰極保護法。 答案：N　犧牲陽極的陰極保護法 金屬腐蝕快慢判斷 金屬腐蝕既受到其組成的影響，又受到外界因素的影響。通常金屬腐蝕速率大小遵循以下規(guī)律： (1)在同一種電解質溶液中，金屬腐蝕的速率大小是電解池的陽極>原電池的負極>化學腐蝕>原電池的正極>電解池的陰極。 (2)對同一種金屬來說，在相同濃度的不同溶液中腐蝕速率的快慢：強電解質溶液中>弱電解質溶液中>非電解質溶液中的腐蝕。 (3)對同一種電解質溶液來說，電解質溶液濃度越大，金屬腐蝕越快。 (4)活動性不同的兩種金屬，活動性差別越大，腐蝕越快。 考點五　原電池與電解池的組合裝置[學生用書P151] 將原電池和電解池結合在一起，或幾個電解池串聯(lián)在一起，綜合考查化學反應中的能量變化、氧化還原反應、化學實驗和化學計算等知識，是高考試卷中電化學部分的重要題型。解答該類試題時電池種類的判斷是關鍵，整個電路中各個電池工作時電子守恒是數據處理的法寶。 一、多池串聯(lián)裝置中電池類型的判斷 1．直接判斷 非常直觀明顯的裝置，如有燃料電池、鉛蓄電池等在電路中時，則其他裝置為電解池。 如圖：A為原電池，B為電解池。 2．根據電池中的電極材料和電解質溶液判斷 原電池一般是兩個不同的金屬電極或一個金屬電極和一個碳棒作電極；而電解池則一般都是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒電極。原電池中的電極材料和電解質溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質溶液自發(fā)反應。 如圖：A為電解池，B為原電池。 3．根據電極反應現(xiàn)象判斷 在某些裝置中根據電極反應現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。 如圖：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極，甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應，A、C極發(fā)生氧化反應。 二、有關概念的分析判斷 在確定了原電池和電解池后，電極的判斷、電極反應式的書寫、實驗現(xiàn)象的描述、溶液中離子的移動、pH的變化及電解質溶液的恢復等，只要按照各自的規(guī)律分析就可以了。 三、綜合裝置中的有關計算 原電池和電解池綜合裝置的有關計算的根本依據就是電子轉移的守恒，分析時要注意兩點：①串聯(lián)電路中各支路電流相等；②并聯(lián)電路中總電流等于各支路電流之和。在此基礎上分析處理其他各種數據。 圖中裝置甲是原電池，乙是電解池，若電路中有0.2 mol電子轉移，則Zn極溶解6.5 g，Cu極上析出H2 2.24 L(標準狀況)，Pt極上析出Cl2 0.1 mol，C極上析出Cu6.4 g。甲池中H＋被還原，生成ZnSO4，溶液pH變大；乙池中是電解CuCl2，由于Cu2＋濃度的減小使溶液pH微弱增大，電解后再加入適量CuCl2固體可使溶液復原。 1．(xx高考天津卷)已知：鋰離子電池的總反應為LixC＋Li1－xCoO2 C＋LiCoO2 鋰硫電池的總反應為2Li＋S Li2S 有關上述兩種電池說法正確的是(　　) A．鋰離子電池放電時，Li＋向負極遷移 B．鋰硫電池充電時，鋰電極發(fā)生還原反應 C．理論上兩種電池的比能量相同 D．上圖表示用鋰離子電池給鋰硫電池充電 解析：選B。鋰