2018届高考二轮复习鲁科版专题09电化学学案25

2018届高考二轮复习鲁科版专题09电化学学案25

专题九 电化学 学习目标： 1、了解原电池和电解池的工作原理，能写出电极反应和电池反应方程式。 2、了解常见化学电源及其工作原理。 3、理解金属发生电化学腐蚀的原因；了解金属腐蚀的危害和防止金属腐蚀的措施。 学习重难点： 原电池和电解池的工作原理、电极反应和电池反应方程式的书写。 自主学习 考点一：原电池和电解池的工作原理 【知识梳理】 1．电化学装置中都有两个电极，分别发生氧化反应与还原反应。若两个电极插在同一电解质溶液的容器内， 则由于阴阳离子的移动速率不同而导致两极之间出现浓度差，以及因电极本身直接与离子反应而导致两 极之间电势差变小，影响了电流的稳定。为解决这个问题，人们使用了盐桥。盐桥主要出现在原电池中， 有时也可在电解池中出现，其主要作用就是构建闭合的内电路，但不影响反应的实质。盐桥内常为饱和 氯化钾、硝酸钾等溶液。 2．盐桥是新课改教材中出现的新名词，因而围绕盐桥的电化学知识已成为新课改地区命题的一个热点，所 以有必要分析研究盐桥问题的考查思路。通常从以下四个方面命题。 (1)考查盐桥的作用。 (2)考查含盐桥的电化学总反应式的书写。 (3)考查盐桥内溶液离子的移动方向。 (4)考查含盐桥的电化学装置的设计。 【题组集训】 题组一 明确原理，设计装置 1．能量之间可相互转化：电解食盐水制备 Cl2 是将电能转化为化学能，而原电池可将化学能转化为电能。 设计两种类型的原电池，探究其能量转化效率。限选材料：ZnSO4(aq)，FeSO4(aq)，CuSO4(aq)；铜片， 铁片，锌片和导线。 ①完成原电池甲的装置示意图(见上图)，并作相应标注，要求：在同一烧杯中，电极与溶液含相同的金属 元素。 1 以铜片为电极之一，CuSO4(aq)为电解质溶液，只在一个烧杯中组装原电池乙，工作一段时间后，可观 察到负极__________。 ③ 甲 乙 两 种 原 电 池 可 更 有 效 地 将 化 学 能 转 化 为 电 能 的 是 ________ ， 其 原 因 是 ________________________________________________________________________。 (3)根据牺牲阳极的阴极保护法原理，为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀，在(2)的材料中应选__________作 阳极。 【答案】① (或其他合理答案) ②电极逐渐溶解，表面有红色固体析出 ③甲 在甲装置中，负极不和 Cu2＋接触，避免了 Cu2＋直接与负极发生反应而使化学能转化为热能 (3)锌片 【解析】①根据题给条件和原电池的构成条件可得： a．若用 Zn、Cu、CuSO4(aq)、ZnSO4(aq)组成原电池，Zn 作负极，Cu 作正极，Zn 插入到 ZnSO4(aq)中， Cu 插入到 CuSO4(aq)中。 b．若用 Fe、Cu、FeSO4(aq)、CuSO4(aq)组成原电池，Fe 作负极，Cu 作正极，Fe 插入到 FeSO4(aq)中， Cu 插入到 CuSO4(aq)中。 c．注意，画图时要注意电极名称，电极材料，电解质溶液名称(或化学式)，并形成闭合回路。 ②由于金属活动性 Zn＞Fe＞Cu，锌片或铁片作负极，由于 Zn 或 Fe 直接与 CuSO4 溶液接触，工作一段时 间后，负极逐渐溶解，表面有红色固体析出。 ③带有盐桥的甲原电池中负极没有和 CuSO4 溶液直接接触，二者不会直接发生置换反应，化学能不会转 化为热能，几乎全部转化为电能；而原电池乙中的负极与 CuSO4 溶液直接接触，两者会发生置换反应， 部分化学能转化为热能，化学能不可能全部转化为电能。 (3)由牺牲阳极的阴极保护法可得，铁片作正极(阴极)时被保护，作负极(阳极)时被腐蚀，所以应选择 比铁片更活泼的锌作负极(阳极)才能有效地保护铁不被腐蚀。 【方法归纳】 1．工作原理 原电池的闭合回路有外电路与内电路之分，外电路的电流是从正极流向负极，内电路是从负极流向正极， 故内电路中的阳离子移向正极、阴离子移向负极。(盐桥中的阳离子移向正极区，阴离子移向负极区， 以维持电荷守恒)。 2．设计思路 首先根据离子方程式判断出氧化剂、还原剂，明确电极反应。然后再分析两剂状态确定电极材料，若为 固态时可作电极，若为溶液时则只能作电解液。然后补充缺少的电极材料及电解液。电极材料一般添加 与电解质溶液中阳离子相同的金属作电极(使用惰性电极也可)，电解液则是一般含有与电极材料形成的 阳离子相同的物质。最后再插入盐桥即可。 题组二 “盐桥”的作用与化学平衡的移动 2．控制适合的条件，将反应 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是 ( ) A．反应开始时，乙中石墨电极上发生氧化反应 B．反应开始时，甲中石墨电极上 Fe3＋被还原 C．电流计读数为零时，反应达到化学平衡状态 D．电流计读数为零后，在甲中溶入 FeCl2 固体，乙中的石墨电极为负极 【答案】D 【解析】由图示结合原电池原理分析可知，Fe3＋得电子变成 Fe2＋被还原，I－失去电子变成 I2 被氧化，所以 A、 B 正确；电流计读数为零时 Fe3＋得电子速率等于 Fe2＋失电子速率，反应达到平衡状态；D 项在甲中溶入 FeCl2 固体，平衡 2Fe3＋＋2I－ 2Fe2＋＋I2 向左移动，I2 被还原为 I－，乙中石墨为正极，不正确。 3．下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将反应“AsO3－ 4 ＋2I－＋2H＋ AsO3－ 3 ＋I2＋H2O”设计成的原电池装置， 其中 C1、C2 均为碳棒。甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸；乙组向图ⅡB 烧杯中逐滴加入适量 40% NaOH 溶液。 下列叙述中正确的是( ) A．甲组操作时，电流计(G)指针发生偏转 B．甲组操作时，溶液颜色变浅 C．乙组操作时，C2 作正极 D．乙组操作时，C1 上发生的电极反应为 I2＋2e－===2I－ 【答案】D 【解析】装置Ⅰ中的反应，AsO3－ 4 ＋2I－＋2H＋ AsO3－ 3 ＋I2＋H2O，当加入适量浓盐酸时，平衡向右移动，有 电子转移，但电子不会沿导线通过，所以甲组操作，电流计(G)指针不会发生偏转，但由于 I2 浓度增大， 所以溶液颜色变深；向装置ⅡB 烧杯中加入 NaOH 溶液中，AsO3－ 3 －2e－＋2H2O===AsO3－ 4 ＋2H＋，电子沿导线 到 C1 棒，I2＋2e－===2I－，所以 C2 为负极，C1 为正极。 【失误防范】 1．把氧化剂、还原剂均为溶液状态的氧化还原反应设计成原电池时，必须使用盐桥才能实现氧化剂与还原 剂的分离，否则不会有明显的电流出现。 2．电子流向的分析方法 (1)改变条件，平衡移动； (2)平衡移动，电子转移； (3)电子转移，判断区域； (4)根据区域，判断流向； (5)根据流向，判断电极。 考点二：几种重要的化学电池 【知识梳理】 高考中常见的新型电池有“氢镍电池”、“高铁电池”、“碱性锌锰电池”、“海洋电池”、“燃料 电池”(如新型细菌燃料电池、氢氧燃料电池、丁烷燃料电池、甲醇质子交换膜燃料电池、CO 燃料电池)、 “锂离子电池”、“锌银电池”、“钮扣电池”、“Mg—AgCl 电池”、“Mg—H2O2 电池”等。新型电池是对 电化学原理的综合考查，在高考中依托新型电池考查的电化学原理知识有以下几点。 1．判断电极 (1)“放电”时正、负极的判断 ①负极：元素化合价升高或发生氧化反应的物质；②正极：元素化合价降低或发生还原反应的物质。 (2)“充电”时阴、阳极的判断 ①阴极：“放电”时的负极在“充电”时为阴极；②阳极：“放电”时的正极在“充电”时为阳极。 2．微粒流向 (1)电子流向 ①电解池：电源负极→阴极，阳极→电源正极； ②原电池：负极→正极。 提示：无论是电解池还是原电池电子均不能流经电解质溶液。 (2)离子流向 ①电解池：阳离子移向阴极，阴离子移向阳极；②原电池：阳离子移向正极，阴离子移向负极。 3．书写电极反应式 (1)“放电”时电极反应式的书写 ①依据条件，指出参与负极和正极反应的物质，根据化合价的变化，判断转移电子的数目； ②根据守恒书写负极(或正极)反应式，特别应注意电极产物是否与电解质溶液共存。 (2)“充电”时电极反应式的书写 充电时的电极反应与放电时的电极反应过程相反，充电的阳极反应为放电时正极反应的逆过程，充电的 阴极反应为放电时负极反应的逆过程。 【题组集训】 题组一 “一池多变”的燃料电池 1．一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪，负极上的反应为 CH3CH2OH－4e－＋H2O===CH3COOH＋4H＋。 下列有关说法正确的是( ) A．检测时，电解质溶液中的 H＋向负极移动 B．若有 0.4 mol 电子转移，则在标准状况下消耗 4.48 L 氧气 C．电池反应的化学方程式为 CH3CH2OH＋O2===CH3COOH＋H2O D．正极上发生的反应为 O2＋4e－＋2H2O===4OH－ 【答案】C 【解析】解答本题时审题是关键，反应是在酸性电解质溶液中进行的。在原电池中，阳离子要往正极移动， 故 A 错；因电解质溶液是酸性的，不可能存在 OH－，故正极的反应式为 O2＋4H＋＋4e－===2H2O，转移 4 mol 电子时消耗 1 mol O2，则转移 0.4 mol 电子时消耗 2.24 L O2，故 B、D 错；电池反应式即正、负极反 应式之和，将两极的反应式相加可知 C 正确。 2．将两个铂电极放置在 KOH 溶液中，然后分别向两极通入 CH4 和 O2，即可产生电流。下列叙述正确的是( ) ①通入 CH4 的电极为正极 ②正极的电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ③通入 CH4 的电极反应式为 CH4 ＋2O2＋4e－===CO2＋2H2O ④负极的电极反应式为 CH4＋10OH－－8e－===CO2－ 3 ＋7H2O ⑤放电时溶液中的阳 离子向负极移动 ⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动 A．①③⑤ B．②④⑥ C．④⑤⑥ D．①②③ 【答案】B 【解析】根据题意知发生的反应为 CH4＋2O2===CO2＋2H2O，反应产生的 CO2 在 KOH 溶液中会转化为 CO2－ 3 。CH4 为还原剂，应通入电源的负极，所以①错误；正极的电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－，故②、④正 确，③错误；放电时溶液(原电池内电路)中的阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，⑤错误，⑥正 确。 【总结归纳】 不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写，大多数学生感到较难。主要集中在：一是得失电子数目 的判断，二是电极产物的判断。下面以 CH3OH、O2 燃料电池为例，分析电极反应式的书写。 (1)酸性介质，如 H2SO4。 CH3OH 在负极上失去电子生成 CO2 气体，O2 在正极上得到电子，在 H＋作用下生成 H2O。电极反应式为 负极：CH3OH－6e－＋H2O===CO2↑＋6H＋ 正极：3 2 O2＋6e－＋6H＋===3H2O (2)碱性介质，如 KOH 溶液。 CH3OH 在负极上失去电子，在碱性条件下生成 CO2－ 3 ，1 mol CH3OH 失去 6 mol e－，O2 在正极上得到电子生 成 OH－，电极反应式为 负极：CH3OH－6e－＋8OH－===CO2－ 3 ＋6H2O 正极：3 2 O2＋6e－＋3H2O===6OH－ (3)熔融盐介质，如 K2CO3。 在电池工作时，CO 2－ 3 移向负极。CH3OH 在负极上失去电子，在 CO 2－ 3 的作用下生成 CO2 气体，O2 在正极上得 到电子，在 CO2 的作用下生成 CO2－ 3 ，其电极反应式为 负极：CH3OH－6e－＋3CO2－ 3 ===4CO2↑＋2H2O 正极：3 2 O2＋6e－＋3CO2===3CO2－ 3 (4)掺杂 Y2O3 的 ZrO3 固体作电解质，在高温下能传导正极生成的 O2－。 根据 O2－移向负极，在负极上 CH3OH 失电子生成 CO2 气体，而 O2 在正极上得电子生成 O2－，电极反应式为 负极：CH3OH－6e－＋3O2－===CO2↑＋2H2O 正极：3 2 O2＋6e－===3O2－ 题组二 “久考不衰”的可逆电池 3．已知：锂离子电池的总反应为 LixC＋Li1－xCoO2 C＋LiCoO2 锂硫电池的总反应为 2Li＋S Li2S 有关上述两种电池说法正确的是( ) A．锂离子电池放电时，Li＋向负极迁移 B．锂硫电池充电时，锂电极发生还原反应 C．理论上两种电池的比能量相同 D．下图表示用锂离子电池给锂硫电池充电 【答案】B 【解析】锂离子电池放电时，为原电池，阳离子 Li＋移向正极，A 错误；锂硫电池充电时，为电解池，锂电 极发生还原反应生成 Li，B 正确；电池的比能量是指参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的 多少，两种电池材料不同，显然其比能量不同，C 错误；由图可知，锂离子电池的电极材料为 C 和 LiCoO2， 应为该电池放电完全所得产物，而锂硫电池的电极材料为 Li 和 S，应为该电池充电完全所得产物，故 此时应为锂硫电池给锂离子电池充电的过程，D 错误。 4．镍氢电池(NiMH)目前已经成为混合动力汽车的一种主要电池类型。NiMH 中的 M 表示储氢金属或合金。该 电池在充电过程中的总反应方程式是： Ni(OH)2＋M===NiOOH＋MH 已知：6NiOOH＋NH3＋H2O＋OH－===6Ni(OH)2＋NO－ 2 下列说法正确的是( ) A．NiMH 电池放电过程中，正极的电极反应式为 NiOOH＋H2O＋e－===Ni(OH)2＋OH－ B．充电过程中 OH－离子从阳极向阴极迁移 C．充电过程中阴极的电极反应式：H2O＋M＋e－===MH＋OH－，H2O 中的 H 被 M 还原 D．NiMH 电池中可以用 KOH 溶液、氨水等作为电解质溶液 【答案】A 【解析】A 项，放电过程中，NiOOH 得电子，化合价降低，发生还原反应，该项正确；B 项，充电过程中发 生电解池反应，OH－从阴极向阳极迁移，该项错误；C 项，充电过程中，阴极 M 得到电子，M 被还原， H2O 中的 H 化合价没有发生变化，该项错误；D 项，NiMH 在 KOH 溶液、氨水中会发生氧化还原反应，该 项错误。 【方法技巧】 对于可充电电池，放电时为原电池，符合原电池的工作原理，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。 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。 题组三 “全新应用”的高科技电池 5．气体的自动化检测中常常应用原电池原理的传感器。下图为电池的工作示意图：气体扩散进入传感器， 在敏感电极上发生反应，传感器就会接收到电信号。下表列出了待测气体及敏感电极上部分反应产物。 则下列说法中正确的是( ) 待测气体 敏感电极部分产物 NO2 NO Cl2 HCl CO CO2 H2S H2SO4 A.上述气体检测时，敏感电极均作原电池正极 B．检测 Cl2 气体时，敏感电极的电极反应为 Cl2＋2e－===2Cl－ C．检测 H2S 气体时，对电极充入空气，对电极上电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．检测 H2S 和 CO 体积分数相同的两份空气样本时，传感器上产生的电流大小相同 【答案】B 【解析】A 项，NO2―→NO，得电子，作正极，Cl2―→HCl，得电子，作正极，CO―→CO2，失电子，作负极， H2S―→H2SO4，失电子，作负极；B 项，根据产物可以判断 Cl2 得电子，生成 Cl－，正确；C 项，应为 O2 ＋4e－＋4H＋===2H2O；D 项，H2S 生成 H2SO4 失去 8e－，而 CO 生成 CO2 失去 2e－，所以检测体积分数相同的 两气体时传感器上产生的电流大小不相同。 6．下图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH—Ni 电池)。下列有关说法不 正确的是( ) A．放电时正极反应为 NiOOH＋H2O＋e－―→Ni(OH)2＋OH－ B．电池的电解液可为 KOH 溶液 C．充电时负极反应为 MH＋OH－―→H2O＋M＋e－ D．MH 是一类储氢材料，其氢密度越大，电池的能量密度越高 【答案】C 【解析】A 项，在原电池的负极发生的是氧化反应，在原电池的正极发生的是还原反应，分析化合价的升降， 正确；B 项，因为该电池为金属氢化物镍电池，又有 Ni(OH)2 等产生，因此可用碱性溶液作电解质溶液， 正确；C 项，该反应为放电时的负极反应，错误；D 项，氢密度越大，单位体积内放出的电量越多，电 池的能量密度越高，正确。 考点三：电解池的“不寻常”应用 【知识梳理】 “六点”突破电解池 1．分清阴、阳极，与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，两极的反应为“阳氧阴还”。 2．剖析离子移向，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。 3．注意放电顺序。 4．书写电极反应式，注意得失电子守恒。 5．正确判断产物。 (1)阳极产物的判断首先看电极，如果是活性电极作阳极，则电极材料失电子，电极溶解(注意：铁作阳极 溶解生成 Fe2＋，而不是 Fe3＋)；如果是惰性电极，则需看溶液中阴离子的失电子能力，阴离子放电顺序 为 S2－>I－>Br－>Cl－>OH－(水)。 (2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断： Ag＋>Hg2＋>Fe3＋>Cu2＋>H＋>Pb2＋>Fe2＋>Zn2＋>H＋(水) 6．恢复原态措施。 电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化合 物，但也有特殊情况，如用惰性电极电解 CuSO4 溶液，Cu2＋完全放电之前，可加入 CuO 或 CuCO3 复原，而 Cu2＋完全放电之后，应加入 Cu(OH)2 或 Cu2(OH)2CO3 复原。 【题组集训】 题组一 电解原理在“治理环境”中的不寻常应用 1．工业上电解法处理含镍酸性废水并得到单质 Ni 的原理如图所示。下列说法不正确的是( ) 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) 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 【答案】B 【解析】电极反应式为 阳极：4OH－－4e－===2H2O＋O2↑ 阴极：Ni2＋＋2e－===Ni 2H＋＋2e－===H2↑ A 项正确；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 pH；D 项，若去掉阳 离子膜，在阳极 Cl－放电生成 Cl2，正确。 2．用 NaOH 溶液吸收烟气中的 SO2，将所得的 Na2SO3 溶液进行电解，可循环再生 NaOH，同时得到 H2SO4，其原 理如下图所示(电极材料为石墨)。 (1)图中 a 极要连接电源的(填“正”或“负”)________极，C 口流出的物质是________。 (2)SO 2－ 3 放电的电极反应式为____________。 (3)电解过程中阴极区碱性明显增强，用平衡移动原理解释原因________。 【答案】(1)负 硫酸 (2)SO2－ 3 －2e－＋H2O===SO2－ 4 ＋2H＋ (3)H2O H＋＋OH－，在阴极 H＋放电生成 H2，c(H＋)减小，水的电离平衡正向移动，碱性增强 【解析】根据 Na＋、SO 2－ 3 的移向判断阴、阳极。Na＋移向阴极区，a 应接电源负极，b 应接电源正极，其电极 反应式分别为 阳极：SO2－ 3 －2e－＋H2O===SO2－ 4 ＋2H＋ 阴极：2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－ 所以从 C 口流出的是 H2SO4，在阴极区，由于 H＋放电，破坏水的电离平衡，c(H＋)减小，c(OH－)增大， 生成 NaOH，碱性增强，从 B 口流出的是浓度较大的 NaOH 溶液。 题组二 电解原理在“制备物质”中的不寻常应用 3．(1) 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____________________________。 (2)电解 NO 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－4e－===O2↑＋4H＋ ②阳极室的 H＋穿过阳膜扩散至产品室，原料室的 H2PO － 2 穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成 H3PO2 ③PO3－ 4 H2PO － 2 或 H3PO2 被氧化 (2)NH3 根据反应：8NO＋7H2O=====电解3NH4NO3＋2HNO3，电解产生的 HNO3 多 4．根据 2CrO2－ 4 ＋2H＋ Cr2O2－ 7 ＋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_____________________________________________。 【答案】正极 4OH－－4e－===O2↑＋2H2O 【解析】根据 NaOH 溶液浓度的变化及 Na＋交换膜，左侧为阴极区域，右侧为阳极区域，电极反应式为 阴极：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－ 阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋ 在阳极区域：2CrO2－ 4 ＋2H＋ Cr2O2－ 7 ＋H2O。 考点四 金属腐蚀与防护的“两种比较”、“两种方法” 【知识梳理】 1．两种比较 (1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜呈酸性 水膜呈弱酸性或中性 正极 反应 2H＋＋2e－===H2↑ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 负极反应 Fe－2e－===Fe2＋ 其他反应 Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓ 4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3 Fe(OH)3 失去部分水转化为铁锈 (2)腐蚀快慢的比较 ①一般来说可用下列原则判断：电解池原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护措施的 腐蚀； ②对同一金属来说，腐蚀的快慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中； ③活泼性不同的两种金属，活泼性差别越大，腐蚀越快； ④对同一种电解质溶液来说，电解质溶液浓度越大，金属腐蚀的速率越快。 2．两种保护方法 (1)加防护层 如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料；采用电镀或表面钝化等方法 在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属或生成一层致密的薄膜。 (2)电化学防护 ①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理：正极为被保护的金属，负极为比被保护的金属活泼的金属； 2 外加电流的阴极保护法——电解原理：阴极为被保护的金属，阳极为惰性电极。 【题组集训】 题组一 两种腐蚀的比较 1．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＋ 【答案】C 【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。 2．铁及其化合物与生产、生活关系密切。 下图是实验室研究海水对铁闸不同部位腐蚀情况的剖面示意图。 ①该电化腐蚀称为____________。 ②图中 A、B、C、D 四个区域，生成铁锈最多的是________(填字母)。 【答案】①吸氧腐蚀 ②B 【解析】①金属在中性和较弱的酸性条件下发生的是吸氧腐蚀。②发生吸氧腐蚀，越靠近液面接触到的 O2 越多，腐蚀得越严重。 3．铜板上铁铆钉长期暴露在潮湿的空气中，形成一层酸性水膜后铁铆钉会被腐蚀，示意图如下。下列说法 不正确的是( ) A．因铁的金属性比铜强，所以铁铆钉被氧化而腐蚀 B．若水膜中溶解了 SO2，则铁铆钉腐蚀的速率变小 C．铜极上的反应是 2H＋＋2e－===H2↑，O2＋4e－＋4H＋===2H2O D．在金属表面涂一层油脂，能防止铁铆钉被腐蚀 【答案】B 【解析】根据示意图，铁铆钉发生电化学腐蚀，其电极反应式为 左侧 负极：2Fe－4e－===2Fe2＋ 正极：O2＋4e－＋4H＋===2H2O 右侧 负极：Fe－2e－===Fe2＋ 正极：2H＋＋2e－===H2↑ B 项，若水膜溶解了 SO2，酸性增强，所以铁铆钉腐蚀的速率将变大。 题组二 腐蚀类型与防护方法 4．利用下图装置，能完成很多电化学实验。下列有关此装置的叙述中，错误的是( ) A．若 X 为锌棒，Y 为 NaCl 溶液，开关 K 置于 M 处，可减缓铁的腐蚀，这种方法称为牺牲阳极的阴极保 护法 B．若 X 为碳棒，Y 为 NaCl 溶液，开关 K 置于 N 处，可减缓铁的腐蚀，这种方法称为外加电流的阴极保 护法 C．若 X 为铜棒，Y 为硫酸铜溶液，开关 K 置于 M 处时，铁电极上的电极反应式为 Cu2＋＋2e－===Cu D．若 X 为铜棒，Y 为硫酸铜溶液，开关 K 置于 N 处时，溶液中各离子浓度都不会发生变化 【答案】C 【解析】A 项，当开关 K 置于 M 处时，Zn 作负极被腐蚀，称作牺牲阳极的阴极保护法；B 项，当开关 K 置于 N 处时，Fe 作阴极被保护，称作外加电流的阴极保护法；C 项，铁作负极，电极反应式为 Fe－2e－===Fe2 ＋；D 项，该装置为电镀池，溶液中各离子浓度不会发生变化。 5．某研究小组为探究弱酸性条件下铁发生电化学腐蚀类型的影响因素，将混合均匀的新制铁粉和碳粉置于 锥形瓶底部，塞上瓶塞(如图 1)。从胶头滴管中滴入几滴醋酸溶液，同时测量容器中的压强变化。 (1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格)： 编号 实验目的 碳粉/g 铁粉/g 醋酸/% ① 为以下实验作参照 0.5 2.0 90.0 ② 醋酸浓度的影响 0.5 36.0 ③ 0.2 2.0 90.0 (2)编号①实验测得容器中压强随时间变化如图 2。t2 时，容器中压强明显小于起始压强，其原因是铁发生 了________腐蚀，请在图 3 中用箭头标出发生该腐蚀时电子流动方向；此时，碳粉表面发生了________(填 “氧化”或“还原”)反应，其电极反应式是_______________。 (3)该小组对图 2 中 0～t1 时压强变大的原因提出了如下假设，请你完成假设二： 假设一：发生析氢腐蚀产生了气体； 假设二：________________________________________________________________________； …… (4)为验证假设一，某同学设计了检验收集的气体中是否含有 H2 的方案。请你再设计一个实验方案验证假设 一，写出实验步骤和结论。 实验步骤和结论(不要求写具体操作过程)： 【答案】(1)②2.0 ③碳粉含量的影响 (2)吸氧 还原 2H2O＋O2＋4e－===4OH－(或 4H＋＋O2＋4e－===2H2O) (3)反应放热，温度升高 (4)①药品用量和操作同编号①实验(多孔橡皮塞增加进、出导管)； ②通入氩气排净瓶内空气； ③滴入醋酸溶液，同时测量瓶内压强变化(也可测温度变化、检验 Fe2＋等)。如果瓶内压强增大，假设一成 立。否则假设一不成立。(本题属于开放性试题，答案合理即可) 【解析】(1)本题采用“控制变量法”进行研究，即保持其他条件相同，只考虑其中一个因素对实验的影响。 探究醋酸浓度对电化学腐蚀的影响时，应保证碳粉和铁粉的质量与参照实验相同，因此实验②中铁粉 为 2.0 g；对比实验①和③可知，铁粉的质量及醋酸的浓度相同，而碳粉的质量不同，显然探究的是碳 粉的含量对铁的电化学腐蚀的影响。 (2)当铁发生析氢腐蚀时，由于生成 H2，容器的压强不断增大，而发生吸氧腐蚀时，由于消耗 O2，容器 的压强不断减小，t2 时容器的压强明显小于起始压强，说明铁发生了吸氧腐蚀，此时 Fe 作负极，失去 电子发生氧化反应；碳粉作正极，O2 在其表面得到电子发生还原反应，电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH －(或 4H＋＋O2＋4e－===2H2O)。 (3)Fe 发生电化学腐蚀时，放出热量，使体系的温度升高。 (4)参照实验①中药品的用量及操作方法，更换多孔橡皮塞，增加进、出气导管，并通入稀有气体，排 出空气，滴加醋酸溶液，同时测量瓶内压强的变化、温度变化等，确定猜想一是否成立。 考点五 利用“电子守恒”思想突破电化学的计算 【知识梳理】 电化学计算的基本方法和技巧： 原电池和电解池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的计算、 产物的量与电量关系的计算等。通常有下列三种方法： 1．根据电子守恒计算 用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、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．根据总反应式计算 先写出电极反应式，再写出总反应式，最后根据总反应式列出比例式计算。 3．根据关系式计算 根据得失电子守恒定律关系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 mol e－为桥梁可构建如下关系式： 4e－～2Cl2(Br2、I2)～O2 阳极产物 2H2～2Cu～4Ag～4 n M 阴极产物 (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，熟记电极反应式，灵活运用关系式便能快速解答常见的电 化学计算问题。 【题组集训】 题组一 无明显“外接电源”的电解池“串联”的判断与计算 1．如下图所示，其中甲池的总反应式为 2CH3OH＋3O2＋4KOH===2K2CO3＋6H2O，下列说法正确的是( ) A．甲池是电能转化为化学能的装置，乙、丙池是化学能转化电能的装置 B．甲池通入 CH3OH 的电极反应式为 CH3OH－6e－＋2H2O===CO2－ 3 ＋8H＋ C．反应一段时间后，向乙池中加入一定量 Cu(OH)2 固体能使 CuSO4 溶液恢复到原浓度 D．甲池中消耗 280 mL(标准状况下)O2，此时丙池中理论上最多产生 1.45 g 固体 【答案】D 【解析】甲池为原电池，作为电源，乙池、丙池为两个电解池。根据原电池的形成条件，通入 CH3OH 的一极 为负极，通入 O2 的一极为正极，所以石墨、Pt(左)作阳极，Ag、Pt(右)作阴极；B 项，负极反应：CH3OH －6e－＋8OH－===CO2－ 3 ＋6H2O；C 项，应加入 CuO 或 CuCO3；D 项，丙池中：MgCl2＋2H2O 电解,Mg(OH)2↓＋ Cl2↑＋H2↑，消耗 0.012 5 mol O2，转移 0.05 mol 电子，生成 0.025 mol Mg(OH)2，其质量为 1.45 g。 题组二 有明显“外接电源”的电解池“串联”的判断与计算 2．在如图所示的装置中，若通直流电 5 min 时，铜电极质量增加 2.16 g。试回答下列问题。 (1)电源中 X 电极为直流电源的________极。 (2)pH 变化：A：________，B：________，C：________(填“增大”、“减小”或“不变”) (3)通电 5 min 时，B 中共收集 224 mL(标准状况下)气体，溶液体积为 200 mL，则通电前 CuSO4 溶液的物质 的量浓度为________________________(假设电解前后溶液体积无变化)。 (4)若 A 中 KCl 足量且溶液的体积也是 200 mL，电解后，溶液的 pH 为______________(假设电解前后溶液体 积无变化)。 【答案】(1)负 (2)增大 减小 不变 (3)0.025 mol·L－1 (4)13 【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变为 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 5 min 时，C 中析出 0.02 mol Ag，电路中通过 0.02 mol 电子。B 中共收集 0.01 mol 气体， 若该气体全为氧气，则电路中需通过 0.04 mol 电子，电子转移不守恒。因此，B 中电解分为两个阶段， 先电解 CuSO4 溶液，生成 O2，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，则 4x＋4y＝0.02 mol(电子转 移守恒)，x＋3y＝0.01 mol(气体体积之和)，解得 x＝y＝0.002 5 mol，所以 n(CuSO4)＝2×0.002 5 mol ＝0.005 mol，c(CuSO4)＝0.005 mol÷0.2 L＝0.025 mol·L－1。(4)通电 5 min 时，A 中放出 0.01 mol H2，溶液中生成 0.02 mol KOH，c(OH－)＝0.02 mol÷0.2 L＝0.1 mol·L－1，pH＝13。 【失误防范】两种“串联”装置图比较 图 1 中无外接电源，其中必有一个装置是原电池装置(相当于发电装置)，为电解池装置提供电能，其 中两个电极活泼性差异大者为原电池装置，如图 1 中左边为原电池装置，右边为电解池装置。图 2 中 有外接电源，两烧杯均作电解池，且串联电解，通过两池的电子数目相等。