2020届一轮复习通用版6-6化学能与电能（4）电化学原理的综合应用（过综合）学案

2020届一轮复习通用版6-6化学能与电能（4）电化学原理的综合应用（过综合）学案

第 6 课时　化学能与电能(4)——电化学原理的综合应用(过综合) 考点一　金属的腐蚀与防护 1．金属的腐蚀 (1)金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变成金属阳离子，金属发生氧化反应。 (2)金属腐蚀的类型 ①化学腐蚀与电化学腐蚀 类型 化学腐蚀 电化学腐蚀 条件 金属与接触到的 物质直接反应 不纯金属接触到电解质溶液 发生原电池反应 本质 M－ne－===Mn＋ M－ne－===Mn＋ 现象 金属被腐蚀 较活泼金属被腐蚀 区别 无电流产生 有微弱电流产生 联系 电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，腐蚀速率更快，危害也更严重 ②析氢腐蚀与吸氧腐蚀(以钢铁的腐蚀为例) 类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀 条件 水膜酸性较强(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 负极 Fe－2e－===Fe2＋电极 反应 正极 2H＋＋2e－===H2↑ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 总反应式 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ 2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2 联系 吸氧腐蚀更普遍 铁锈的形成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3， 2Fe(OH)3===Fe2O3·xH2O(铁锈)＋(3－x)H2O。 2．金属的防护 (1)改变金属的内部结构 可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金。 (2)覆盖保护层 可以通过喷油漆、涂油脂、电镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离。 (3)电化学防护 负极 比被保护金属活泼的金属牺牲阳极的阴极保护法——原电 池原理 正极 被保护的金属设备 外加电流的阴极保护法 阴极 被保护的金属设备 ——电解原理 阳极 惰性金属 [考法精析] 考法一　金属腐蚀的规律 [典例 1]　如图所示，各烧杯中盛海水，铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为(　　) A．②①③④⑤⑥　　　　　 B．⑤④③①②⑥ C．⑤④②①③⑥ D．⑤③②④①⑥ [解析]　①是 Fe 为负极，杂质碳为正极的原电池腐蚀，是铁的吸氧腐蚀，腐蚀较慢， 其电极反应式：负极 Fe－2e－===Fe2＋，正极 2H2O＋O2＋4e－===4OH－。②、③、④均为 原电池，③中 Fe 为正极，被保护；②、④中 Fe 为负极，均加快了 Fe 的腐蚀，但 Fe 和 Cu 的金属活动性差别大于 Fe 和 Sn 的，故 Fe­Cu 原电池中 Fe 腐蚀的较快。⑤是 Fe 接电源正 极作阳极，Cu 接电源负极作阴极，加快了 Fe 的腐蚀。⑥是 Fe 接电源负极作阴极，Cu 接 电源正极作阳极，防止了 Fe 的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为 ⑤>④>②>①>③>⑥。 [答案]　C [备考方略]　判断金属腐蚀快慢的规律 (1)对同一电解质溶液来说，腐蚀由快到慢：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，腐蚀由快到慢：强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液 中(浓度相同)。 (3)活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，二者形成原电池时，较活泼的金属腐蚀 越快。 (4)对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。 考法二　金属腐蚀的类型 [典例 2]　一定条件下，碳钢腐蚀与溶液 pH 的关系如下表： pH 2 4 6 6.5 8 13.5 14 腐蚀快慢 较快 慢 较快 主要产物 Fe2＋ Fe3O4 Fe2O3 FeO－2 下列说法错误的是(　　) A．当 pH＜4 时，碳钢主要发生析氢腐蚀 B．当 pH＞6 时，碳钢主要发生吸氧腐蚀 C．当 pH＞14 时，正极反应为 O2 ＋ 4H＋ ＋ 4e－===2H2O D．在煮沸除氧气后的碱性溶液中，碳钢腐蚀速率会减缓 [解析]　当溶液呈较强的碱性时，碳钢主要发生的是吸氧腐蚀，其正极反应为 O2＋2H2O ＋4e－===4OH－，C 项错误。 [答案]　C 考法三　金属的防护措施 [典例 3]　(2018·北京高考)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)。 ① ② ③ 在 Fe 表面生成蓝色沉淀 试管内无明显变化 试管内生成蓝色沉淀 下列说法不正确的是(　　) A．对比②③，可以判定 Zn 保护了 Fe B．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 [解析]　实验②中加入 K3[Fe(CN)6]，溶液无变化，说明溶液中没有 Fe2＋；实验③中加 入 K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀，说明溶液中有 Fe2＋ ，A 项正确；对比①②可知，①中 K3[Fe(CN)6]可能将 Fe 氧化成 Fe2＋，Fe2＋再与 K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀，B 项正确； 由以上分析可知，验证 Zn 保护 Fe 时，可以用②③做对比实验，不能用①的方法，C 项正 确；K3[Fe(CN)6]可将单质铁氧化为 Fe2＋，Fe2＋与 K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀，附着在 Fe 表面，无法判断铁比铜活泼，D 项错误。 [答案]　D [综合训练] 1．(2017·全国卷Ⅰ)支撑海港码头基础的钢管桩，常用外加电流 的阴极保护法进行防腐，工作原理如图所示，其中高硅铸铁为惰性辅 助阳极。下列有关表述不正确的是(　　) A．通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零 B．通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩 C．高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流 D．通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整 解析：选 C　依题意，钢管桩为阴极，电子流向阴极，阴极被保护，铁不容易失去电子， 故钢管桩表面腐蚀电流(指铁失去电子形成的电流)，接近于 0，A 项正确；阳极上发生氧化 反应，失去电子，电子经外电路流向阴极，B 项正确；高硅铸铁作阳极，阳极上发生氧化反 应，阳极上主要是海水中的水被氧化生成氧气，惰性辅助阳极不被损耗，C 项错误；根据海 水对钢管桩的腐蚀情况，增大或减小电流强度，D 项正确。 2．某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件。(已知 Fe2＋遇 K3[Fe(CN)6] 溶液呈蓝色)。 下列说法不合理的是(　　) A．①区 Cu 电极上产生气泡，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色，Fe 被 腐蚀 B．②区 Cu 电极附近滴加酚酞后变成红色，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝 色，Fe 被腐蚀 C．③区 Zn 电极的电极反应式为 Zn－2e－===Zn2＋，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶 液未出现蓝色，Fe 被保护 D．④区 Zn 电极的电极反应式为 2H2O＋2e －===H2↑＋2OH －，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色，Fe 被腐蚀 解析：选 A　①区发生吸氧腐蚀，Cu 为正极，电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH －，Cu 电极上不产生气泡，A 项错误；②区 Cu 为阴极，电极反应式为 2H2O＋2e－===H2↑＋ 2OH－，Cu 电极附近溶液碱性增强，滴加酚酞后变成红色，Fe 为阳极，被腐蚀，电极反应 式为 Fe－2e－===Fe2＋，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色，B 项正确；③区 Zn 为负极，电极反应式为 Zn－2e－===Zn2＋，Fe 为正极，被保护，C 项正确，④区 Zn 为阴极， 电极反应式为 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，Fe 作阳极，被腐蚀，电极反应式为 Fe－2e－ ===Fe2＋，Fe 电极附近滴加 K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色，D 项正确。 考点二　串联电池 1．有外接电源电池类型的判断方法 有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则 该电池为电镀池。如： 则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。 2．无外接电源电池类型的判断方法 (1)直接判断 非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如 图所示：A 为原电池，B 为电解池。 (2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断 原电池一般是两种活泼性不同的金属电极或一种金属电极和一个碳棒作电极；而电解 池则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。原电池中的电极材料和电解质溶 液之间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。 如图所示：B 为原电池，A 为电解池。 (3)根据电极反应现象判断 在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示： 若 C 极溶解，D 极上析出 Cu，B 极附近溶液变红，A 极上放出黄绿色气体，则可知乙是原 电池，D 是正极，C 是负极；甲是电解池，A 是阳极，B 是阴极。B、D 极发生还原反应， A、C 极发生氧化反应。 [典例]　某同学组装了如图所示的电化学装置，电极Ⅰ为 Al，其他均为 Cu，下列说法 正确的是(　　) A．电流方向：电极 Ⅳ→○A →电极Ⅰ B．电极Ⅰ发生还原反应 C．电极Ⅱ逐渐溶解 D．电极Ⅲ的电极反应：Cu2＋＋2e－===Cu [解析]　带盐桥的①、②装置构成原电池，Ⅰ为负极，Ⅱ为正极，装置③为电解池。A 项，电子移动方向：电极Ⅰ→○A →电极Ⅳ，电流方向与电子移动方向相反，正确；B 项，原 电池负极在工作中发生氧化反应，错误；C 项，原电池正极上发生还原反应，Cu2＋在电极Ⅱ 上得电子，生成 Cu，该电极质量逐渐增大，错误；D 项，电解池中阳极为活性电极时，电 极本身被氧化，生成的离子进入溶液中，因为电极Ⅱ为正极，因此电极Ⅲ为电解池的阳极， 其电极反应式为 Cu－2e－===Cu2＋，错误。 [答案]　A [备考方略]　串联类电池的解题流程 [综合训练] 1．用铅蓄电池电解 AgNO3、Na2SO4 的溶液，a、b、c、d 电极材料均为石墨。已知铅 蓄电池的总反应为 Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)放电 充电 2PbSO4(s)＋2H2O(l)，通电时 a 电 极质量增加，下列说法正确的是(　　) A．电路中通过 1 mol 电子时，Y 电极质量增加 48 g B ．放电时铅蓄电池负极的电极反应式为 PbO2(s) ＋4H ＋ (aq) ＋SO 2－4 (aq) ＋2e － ===PbSO4(s)＋2H2O(l) C．c、d 电极产生气体的物质的量之比为 1∶2 D．X 极为负极 解析：选 A　a 极质量增加，即析出了 Ag，a 为阴极，则 Y 为负极，X 为正极，D 项 错；B 项，所写电极反应式为正极的电极反应式；C 项，c 为阴极放出 H2，d 为阳极放出 O2，物质的量之比为 2∶1。 2．如图 X 是直流电源。Y 槽中 c、d 为石墨棒，Z 槽中 e、f 是质量相同的铜棒。接通 电路后，发现 d 附近显红色。 (1)①电源上 b 为______极(填“正”“负”“阴”或“阳”，下同)。 ②Z 槽中 e 为________极。 ③连接 Y、Z 槽线路中，电子流动的方向是 d__________e(填“―→”或“ ”)。 (2)①写出 c 极上反应的电极反应式：_____________________________________。 ② 写 出 Y 槽 中 总 反 应 的 化 学 方 程 式 ： ____________________________________________ ______________________。 ③写出 Z 槽中 e 极上反应的电极反应式： __________________________________。 解析：d 极附近显红色，说明 d 为阴极，电极反应式为 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－， c 为阳极，电极反应式为 2Cl－－2e－===Cl2↑，Y 槽电解 NaCl 溶液的总反应方程式为 2NaCl ＋2H2O =====电解 2NaOH＋Cl2↑＋H2↑；直流电源中 a 为正极，b 为负极，Z 槽中 f 为阴极， e 为阳极，电极反应式为 Cu－2e－===Cu2＋，电子流动方向由 e―→d。 答案：(1)①负　②阳　③　 (2)①2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2NaCl＋2H2O =====电解 2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ ③Cu－2e－===Cu2＋ 考点三　电化学定量计算 电化学的反应是氧化还原反应，各电极上转移电子的物质的量相等，无论是单一电池 还是串联电解池，均可抓住电子守恒计算。 1．解题关键 (1)电极名称要区分清楚。 (2)电极产物要判断准确。 (3)各产物间量的关系遵循电子得失守恒。 2．计算方法 如以通过 4 mol 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) 该关系式具有总览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。 [典例]　以石墨电极电解 200 mL CuSO4 溶液，电解过程中转移电 子的物质的量 n(e－)与产生气体总体积 V(标准状况)的关系如图所示， 下列说法中正确的是(　　) A．电解前 CuSO4 溶液的物质的量浓度为 2 mol·L－1 B．忽略溶液体积变化，电解后所得溶液中 c(H＋)＝2 mol·L－1 C．当 n(e－)＝0.6 mol 时，V(H2)∶V(O2)＝3∶2 D．向电解后的溶液中加入 16 g CuO，则溶液可恢复到电解前的浓度 [解析]　电解 CuSO4 溶液时，阳极反应式为 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阴极反应式为 Cu2＋＋2e－===Cu，若阴极上没有氢离子放电，则图中气体体积与转移电子物质的量的关系 曲线是直线，而题图中是折线，说明阴极上还发生反应：2H＋＋2e－===H2↑。当转移 0.4 mol 电子时，Cu2＋恰好完全析出，n(Cu2＋)＝0.4 mol 2 ＝0.2 mol，根据铜原子守恒得，c(CuSO4)＝ c(Cu2＋ )＝0.2 mol 0.2 L ＝1 mol·L －1 ，A 项错误；当转移 0.4 mol 电子时，生成 n(H2SO4)＝0.2 mol，随后相当于电解水，因为忽略溶液体积变化，所以电解后所得溶液中 c(H ＋)＝ 0.2 mol × 2 0.2 L ＝2 mol·L－1，B 项正确；当 n(e－)＝0.6 mol 时，发生反应：2CuSO4＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋2H2SO4、2H2O =====电解 2H2↑＋O2↑，n(H2)＝0.1 mol，n(O2)＝0.1 mol＋0.05 mol ＝0.15 mol，所以 V(H2)∶V(O2)＝0.1 mol∶0.15 mol＝2∶3，C 项错误；因电解后从溶液中 析出 Cu、O2、H2，所以只加入 CuO 不能使溶液恢复到电解前的浓度，D 项错误。 [答案]　B [综合训练] 1．将两个铂电极插入 500 mL CuSO4 溶液中进行电解，通电一段时间后，某一电极增 重 0.064 g(设电解时该电极无氢气析出，且不考虑水解和溶液体积变化)，此时溶液中氢离 子浓度约为(　　) A．4×10－3 mol·L－1　　　　 B．2×10－3 mol·L－1 C．1×10－3 mol·L－1 D．1×10－7 mol·L－1 解析：选 A　阴极反应：Cu2＋＋2e－===Cu，增重 0.064 g 应是生成 Cu 的质量，设生成 H＋的物质的量为 x，根据总反应离子方程式： 2Cu2＋＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋4H＋ 2×64 g　　　4 mol 　　　　　　 0.064 g　　　x x＝0.002 mol c(H＋)＝0.002 mol 0.5 L ＝4×10－3 mol·L－1。 2．在 500 mL KNO3 和 Cu(NO3)2 的混合溶液中，c(NO－3 )＝6 mol·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 22.4 L 气体(标准状况)，假定电解后溶液体积 仍为 500 mL，下列说法正确的是(　　) A．电解得到的 Cu 的物质的量为 0.5 mol B．向电解后的溶液中加入 98 g 的 Cu(OH)2 可恢复为原溶液 C．原混合溶液中 c(K＋)＝4 mol·L－1 D．电解后溶液中 c(H＋)＝2 mol·L－1 解析：选 B　石墨作电极电解此溶液，当通电一段时间后，两极均收集到 22.4 L 气体(标 准状况)，n(O2)＝ 22.4 L 22.4 L·mol－1＝1 mol，阳极发生 2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成 1 mol 氧气转移 4 mol 电子，阴极发生 Cu2＋＋2e－===Cu、2H＋＋2e－===H2↑，生成 1 mol 氢气， 转移 2 mol 电子，因此还要转移 2 mol 电子生成 1 mol 铜，电解得到的 Cu 的物质的量为 1 mol，故 A 错误；根据电解原理和原子守恒，溶液中减少的原子有铜、氧、氢，向电解后的 溶液中加入 1 mol Cu(OH)2，可恢复为原溶液，质量为 98 g，故 B 正确；c(Cu2＋)＝1 mol 0.5 L＝ 2 mol·L－1，由电荷守恒可知，原混合溶液中 c(K＋)为 6 mol·L－1－2 mol·L－1×2＝2 mol·L－ 1，故 C 错误；开始电解时发生 2Cu2＋＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋4H＋，n(H＋)＝2n(Cu)＝2 ×1 mol＝2 mol，当 Cu2＋消耗完后，电解 HNO3、KNO3 溶液，实质上是电解水，n(H＋)＝ 2 mol 不变，电解后溶液中 c(H＋)为2 mol 0.5 L＝4 mol·L－1，故 D 错误。 3．按如图 1 所示装置进行电解，A、B、C、D 均为铂电极，回答下列问题。 (1)甲槽电解的是 200 mL 一定浓度的 NaCl 与 CuSO4 的混合溶液，理论上两极所得气体 的体积随时间变化的关系如图 2 所示(气体体积已换算成标准状况下的体积，电解前后溶液 的体积变化忽略不计)。 ①原混合溶液中 NaCl 的物质的量浓度为______mol·L －1 ，CuSO4 的物质的量浓度为 ________mol·L－1。 ②t2 时所得溶液的 pH＝________。 (2)乙槽为 200 mL CuSO4 溶液，乙槽内电解的总离子方程式：_____________________： ①当 C 极析出 0.64 g 物质时，乙槽溶液中生成的 H2SO4 为________mol。电解后，若使 乙槽内的溶液完全复原，可向乙槽中加入________(填字母)。 A．Cu(OH)2　　　　　　B．CuO C．CuCO3 D．Cu2(OH)2CO3 ②若通电一段时间后，向所得的乙槽溶液中加入 0.2 mol 的 Cu(OH)2 才能恰好恢复到电 解前的浓度，则电解过程中转移的电子数为________。 解析：(1)①A、B、C、D 均为惰性电极 Pt，甲槽电解 NaCl 和 CuSO 4 的混合液，阳极 上离子放电顺序为 Cl－＞OH－＞SO2－4 ，阴极上离子放电顺序为 Cu2＋＞H＋＞Na＋，开始阶段 阴极上析出 Cu，阳极上产生 Cl2，则题图 2 中曲线Ⅰ代表阴极产生气体体积的变化，曲线Ⅱ 代表阳极产生气体体积的变化。阳极上发生的反应依次为 2Cl－－2e－===Cl2↑、4OH－－4e－ ===2H2O＋O2↑，由曲线Ⅱ可知，Cl－放电完全时生成 224 mL Cl2，根据 Cl 原子守恒可知， 溶液中 c(NaCl)＝0.01 mol × 2 0.2 L ＝0.1 mol·L－1；阴极上发生的反应依次为 Cu2＋＋2e－===Cu、 2H＋＋2e－===H2↑，由曲线Ⅱ可知 Cu2＋放电完全时，阳极上产生 224 mL Cl2 和 112 mL O2， 则电路中转移电子的物质的量为 0.01 mol×2＋0.005 mol×4＝0.04 mol，据得失电子守恒可 知 n(Cu2＋)＝0.04 mol×1 2＝0.02 mol，故混合液中 c(CuSO4)＝0.02 mol 0.2 L ＝0.1 mol·L－1。②0～t1 时间内相当于电解 CuCl2，电解反应式为 CuCl2 =====电解 Cu＋Cl2↑，t1～t2 时间内相当于电解 CuSO4，而电解 CuSO4 溶液的离子反应为 2Cu2＋＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋4H＋，则生成 H ＋的物质的量为 0.005 mol×4＝0.02 mol，则有 c(H＋)＝0.02 mol 0.2 L ＝0.1 mol·L－1，故溶液的 pH ＝1。(2)电解 CuSO4 溶液时，Cu2＋在阴极放电，水电离的 OH－在阳极放电，电解的总离子 方程式为 2Cu2＋＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋4H＋。①C 极为阴极，电极反应式为 Cu2＋＋2e－ ===Cu，析出 0.64 g Cu(即 0.01 mol)时，生成 H2SO4 的物质的量也为 0.01 mol。电解 CuSO4 溶液时，阴极析出 Cu，阳极上产生 O2，故可向电解质溶液中加入 CuO、CuCO3 等使电解质 溶液完全复原。②加入 0.2 mol Cu(OH)2 相当于加入 0.2 mol CuO 和 0.2 mol H2O，则电解过 程中转移电子的物质的量为 0.2 mol×2＋0.2 mol×2＝0.8 mol，即 0.8NA 个电子。 答案：(1)①0.1　0.1　②1 (2)2Cu2＋＋2H2O =====电解 2Cu＋O2↑＋4H＋ ①0.01　BC　②0.8NA