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2019年高考化學一輪復習 第六章 化學反應與能量 課時梯級作業(yè)二十 6.3 電解池 金屬的電化學腐蝕與防護 一、選擇題(本題包括6小題,每題7分,共42分) 1.一定條件下,碳鋼腐蝕與溶液pH的關系如下: pH 2 4 6 6.5 8 13.5 14 腐蝕快慢 較快 慢 較快 主要產物 Fe2+ Fe3O4 Fe2O3 Fe A.在pH<4溶液中,碳鋼主要發(fā)生析氫腐蝕 B.在pH>6溶液中,碳鋼主要發(fā)生吸氧腐蝕 C.在pH>14溶液中,碳鋼腐蝕的正極反應為O2+4H++4e-2H2O D.在煮沸除氧氣的堿性溶液中,碳鋼腐蝕速率會減緩 【解析】選C。pH<4為強酸性,發(fā)生析氫腐蝕,A正確;pH>6的溶液,氧氣得電子,發(fā)生吸氧腐蝕,B正確;pH>14的溶液,氧氣與水反應得電子:O2+2H2O+4e-4OH-,C錯誤;煮沸后除去了氧氣,碳鋼的腐蝕速率會減緩,D正確。 2.(xx大同模擬)圖Ⅰ的目的是精煉銅,圖Ⅱ的目的是保護鋼閘門,下列說法不正確的是 (　　) A.圖Ⅰ中a為純銅 B.圖Ⅰ中S向b極移動 C.圖Ⅱ中如果a、b間連接電源,則a連接負極 D.圖Ⅱ中如果a、b間用導線連接,則X可以是銅 【解析】選D。電解精煉銅時,粗銅作陽極,精銅作陰極,圖Ⅰ中a為純銅,A項正確;圖Ⅰ為電解池,陽離子移向陰極(a極),陰離子移向陽極(b極),B項正確;圖Ⅱ的目的是保護鋼閘門,若a、b間連接電源,則a連接負極,b連正極,C項正確;若圖Ⅱ中a、b用導線連接,為保護鋼閘門,鋼閘門作正極,X應為比鐵活潑的金屬,而不可以是銅,D項不正確。 3.(xx牡丹江模擬)工業(yè)上用電解法處理含鎳酸性廢水并得到單質Ni的原理如圖所示。下列說法不正確的是 (　　) 已知:①N在弱酸性溶液中發(fā)生水解　 ②氧化性:N(高濃度)>H+>N(低濃度) A.碳棒上發(fā)生的電極反應:4OH--4e-O2↑+2H2O B.電解過程中,B中NaCl溶液的物質的量濃度將不斷減少 C.為了提高Ni的產率,電解過程中需要控制廢水pH D.若將圖中陽離子膜去掉,將A、B兩室合并,則電解反應總方程式發(fā)生改變 【解析】選B。電極反應式為陽極:4OH--4e-2H2O+O2↑ 陰極:N+2e-Ni　2H++2e-H2↑,A項正確;B項,由于C中N、H+不斷減少,Cl-通過陰離子膜從C移向B,A中OH-不斷減少,Na+通過陽離子膜從A移向B,所以B中NaCl溶液的物質的量濃度不斷增大,錯誤;C項,由于H+的氧化性大于N(低濃度)的氧化性,所以為了提高Ni的產率,電解過程需要控制廢水的pH;D項,若去掉陽離子膜,在陽極Cl-放電生成Cl2,反應總方程式發(fā)生改變,正確。 【加固訓練】 　　燒杯A中盛放0.1 molL-1的H2SO4溶液,燒杯B中盛放0.1 molL-1的CuCl2溶液(兩種溶液均足量),裝置如圖所示,下列說法不正確的是 (　　) A.A中Fe極質量減少,C極有氣體產生 B.A為電解池,B為原電池 C.當A燒杯中產生0.1 mol氣體時,B燒杯中產生氣體的物質的量也為0.1 mol D.經過一段時間,B燒杯中溶液的pH增大 【解析】選B。構成A裝置的是活動性不同的電極、電解質溶液,兩極形成了閉合的回路,所以A為原電池裝置,且A為B的電解提供電能。電極反應式分別為(燒杯A中)C正極:2H++2e-H2↑,Fe負極:Fe-2e-Fe2+。(燒杯B中)陰極:Cu2++ 2e-Cu,陽極:2Cl--2e-Cl2↑。燒杯B中電解氯化銅,銅離子濃度減小,水解程度減小,pH增大(不考慮Cl2溶于水)。 4.等物質的量的BaCl2、K2SO4和AgNO3溶于水形成混合溶液,用石墨電極電解此溶液,經過一段時間后,陰、陽兩極收集到的氣體體積之比為3∶2。下列說法正確的是 (　　) A.陰極反應為Ag++e-Ag B.陽極始終發(fā)生反應:2Cl--2e-Cl2↑ C.兩極共生成三種氣體 D.向電解后溶液中通入適量的HCl可使溶液恢復到電解前的狀態(tài) 【解析】選C。三種物質溶于水后,發(fā)生反應Ba2++SBaSO4↓、Ag++Cl- AgCl↓,則混合溶液的溶質為KCl和KNO3。由題意,陰、陽兩極收集到的氣體體積之比為3∶2,所以陰極反應為2H++2e-H2↑,陽極反應為2Cl--2e-Cl2↑和4OH--4e-O2↑+2H2O,陰、陽兩極共生成氫氣、氯氣和氧氣三種氣體,要使電解質溶液復原,需要通入適量的HCl,還需要加入適量的水。 5.堿性硼化釩(VB2)-空氣電池工作時原理為4VB2+11O24B2O3+2V2O5。用該電池為電源,惰性電極電解硫酸銅溶液,實驗裝置如圖所示。當外電路中通過0.04 mol 電子時,B裝置內共收集到0.448 L氣體(標準狀況)。則下列說法正確的是 (　　) A.VB2電極發(fā)生的電極反應為2VB2+11H2O-22e-V2O5+2B2O3+22H+ B.外電路中電子由c電極流向VB2電極 C.電解過程中,b電極表面先有紅色物質析出,然后有氣泡產生 D.若B裝置內的液體體積為200 mL,則CuSO4溶液的物質的量濃度為 0.05 molL-1 【解析】選D。負極VB2失電子發(fā)生氧化反應,電極反應式為2VB2+22OH--22e- V2O5+2B2O3+11H2O,A錯誤;外電路中電子由VB2電極流向陰極c,B錯誤;b為陽極,氫氧根失電子生成氧氣,C錯誤;外電路通過0.04 mol 電子時,b電極生成 0.01 mol O2,共收集到0.448 L 氣體,則陰極產生0.01 mol H2,溶液中n(Cu2+)= =0.01 mol,c(CuSO4)==0.05 molL-1,D正確。 【方法規(guī)律】電池類型的判定規(guī)律 1.有外接電源串聯(lián)電池,則是電解池或電鍍池。當陽極金屬與電解質溶液中的金屬陽離子相同則為電鍍池,其他情況為電解池。 2.無外接電源的串聯(lián)電池,一定有一個是原電池,判斷方法: (1)燃料電池、鉛蓄電池為原電池,其他裝置為電解池。 (2)根據(jù)電池中的電極材料和電解質溶液判斷:電極材料和電解質溶液之間能發(fā)生自發(fā)氧化還原反應的是原電池,其他裝置為電解池。 (3)根據(jù)電極反應現(xiàn)象判斷:如圖 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。 6.(能力挑戰(zhàn)題)將H2S通入FeCl3溶液中,過濾后將反應液加入電解槽中電解(如圖所示),電解后的溶液還可以循環(huán)利用。該方法可用于處理石油煉制過程中產生的H2S廢氣。下列有關說法正確的是 (　　) A.過濾得到的沉淀可能是FeS和S B.若有0.20 mol電子轉移,一定能得到2.24 L氫氣 C.可以用Fe與外接電源的a極相連 D.與a極相連的電極反應為Fe2+-e-Fe3+ 【解析】選D。H2S與FeCl3反應生成S、鹽酸和氯化亞鐵,A錯誤;沒有給出氫氣所處的條件,不能求氫氣的體積,B錯誤;根據(jù)右邊生成氫氣知b是負極,a是正極,若鐵作陽極,被溶解,C錯誤。 二、非選擇題(本題包括4小題,共58分) 7.(12分)在生產生活中,金屬腐蝕所帶來的損失非常嚴重,所以防止金屬腐蝕已經成為科學研究和技術領域的重大問題。某化學興趣小組的同學在實驗室對金屬腐蝕進行了探究。 (1)分別在三個潔凈干燥的試管中各加入一個潔凈無銹的鐵釘,再向Ⅰ、Ⅱ號兩個試管中分別加入經煮沸迅速冷卻的蒸餾水,然后向Ⅱ號試管中加入少量植物油,將Ⅲ號試管塞上木塞。請判斷:________號試管中的鐵釘最容易生銹。由此可見,鐵制品生銹需要的條件是________________。 (2)如圖2所示,處于A、B、C三種不同環(huán)境中的鐵片,被腐蝕的速率由大到小的順序是________(用字母表示)。 (3)據(jù)報道,全世界每年因為金屬腐蝕造成的直接經濟損失約達7 000億美元,我國因金屬腐蝕造成的損失約占國民生產總值的4%。 ①鋼鐵在發(fā)生電化學腐蝕時,負極反應為__________________。 ②請寫出用稀硫酸除去鐵銹的化學方程式:________________。 ③請根據(jù)不同的原理,提出防止鋼鐵腐蝕的兩條合理措施:________________、_____________________________。 【解析】(1)鐵生銹的條件:與氧氣接觸,有水參加。二者缺一不可,具備該條件的只有Ⅰ。 (2)鐵處于A環(huán)境中作原電池的負極,腐蝕速度較快;處于B環(huán)境中作原電池的正極被保護,腐蝕速度很慢;處于C環(huán)境中發(fā)生吸氧腐蝕,腐蝕速度較慢。 (3)①發(fā)生電化學腐蝕時,負極上金屬鐵發(fā)生失電子的氧化反應。②鐵銹的主要成分是氧化鐵,可以和酸反應生成鹽和水。③防止鋼鐵銹蝕的關鍵是使鐵與氧氣、水隔絕,可以進行表面防護處理(如涂油、刷漆、表面鍍金屬等),還可以改變金屬內部結構(如制成不銹鋼)等。 答案:(1)Ⅰ　有水和氧氣　(2)A>C>B (3)①Fe-2e-Fe2+ ②Fe2O3+3H2SO4Fe2(SO4)3+3H2O ③改變金屬內部結構　刷漆(合理即可) 8.(12分)太陽能電池可用作電解的電源(如圖)。 (1)若c、d均為惰性電極,電解質溶液為硫酸銅溶液,電解過程中,c極先無氣體產生,后又生成氣體,則c極為________極,在電解過程中,溶液的pH________(填“增大”“減小”或“不變”),停止電解后,為使溶液恢復至原溶液應加入適量的____________________________。 (2)若c、d均為銅電極,電解質溶液為氯化鈉溶液,則電解時,溶液中氯離子的物質的量將________(填“增大”“減小”或“不變”)。 (3)若用石墨、鐵作電極材料,可組裝成一個簡易污水處理裝置。其原理是加入試劑調節(jié)污水的pH在5.0～6.0。接通電源后,陰極產生的氣體將污物帶到水面形成浮渣而刮去,起到浮選凈化作用;陽極產生的有色物質具有吸附性,吸附污物而沉積,起到凝聚凈化作用。該裝置中,陰極的電極反應為________;陽極區(qū)生成的有色物質是________。 【解析】(1)用惰性電極電解硫酸銅溶液,c極上先無氣體生成,后又產生氣體,說明c極為陰極(先生成Cu,后生成H2),電解CuSO4溶液最終生成H2SO4,溶液的pH減小。電解過程分兩個階段:第一階段,陰極生成Cu,陽極生成O2,溶液中減少的相當于CuO;第二階段,陰極生成H2,陽極生成O2,溶液中減少的是H2O。 (2)若c、d為銅電極時,陽極:Cu-2e-Cu2+,電解質溶液中Cl-不放電,故其物質的量不變。 (3)若用石墨、鐵作電極材料,陰極產生氣體,陰極發(fā)生的反應只能是2H++2e- H2↑,陽極生成有色物質,則陽極為鐵放電,Fe-2e-Fe2+,最終生成Fe(OH)3。 答案:(1)陰　減小　CuO和H2O　(2)不變 (3)2H++2e-H2↑　Fe(OH)3 9.(18分)(xx商丘模擬)肼(N2H4)又稱聯(lián)氨,廣泛用于火箭推進劑、有機合成及燃料電池等方面,NO2的二聚體N2O4是火箭中常用的氧化劑。請回答下列問題: (1)肼燃料電池的原理如圖1所示,左邊電極上發(fā)生反應的電極反應式為_____ ____________________。 (2)聯(lián)氨在工業(yè)生產中常以氨和次氯酸鈉為原料獲得,也可在高錳酸鉀作催化劑條件下,用尿素[CO(NH2)2]和次氯酸鈉、氫氧化鈉溶液反應獲得,尿素法反應的離子方程式為______________________。 (3)某模擬“人工樹葉”的電化學實驗裝置如圖2所示,該裝置能將H2O和CO2轉 化為O2和燃料(C3H8O)。該裝置工作時,H+從________(填字母,下同)極區(qū)向 ________極區(qū)遷移,將電能轉化為________能,每生成1 mol O2,有________g CO2被還原(小數(shù)點后保留1位數(shù)字)。 (4)圖3中甲裝置為C3H8O的燃料電池(電解質溶液為KOH溶液)裝置,該同學想在乙裝置中實現(xiàn)鐵上鍍銅,則f處通________,寫出電極c上的電極反應式:____ __________________________。 【解析】(1)由圖1可知燃料電池左邊是N2H4生成N2和H2O,N化合價升高,N2H4失去電子發(fā)生氧化反應。 (2)ClO-作氧化劑,被尿素還原成Cl-,尿素則被氧化為聯(lián)氨,再根據(jù)原子個數(shù)守恒,即可寫出離子方程式。 (3)由圖2知,該裝置為電解池,將電能轉化為化學能,該裝置工作時,在b極(陽極)H2O失去電子被氧化為O2,同時產生H+,H+從b極區(qū)向a極(陰極)區(qū)移動,由得失電子守恒知,每生成1 mol O2轉移4 mol e-,每消耗1 mol CO2轉移6 mol e-,則被還原的CO2的質量為 mol44 gmol-1≈29.3 g。 (4)由圖3可知,在Fe極上鍍Cu,則Fe為陰極,Cu為陽極,則與Cu相連的燃料電池的d極為正極,所以f處通入O2。燃料電池的c極為負極,e處通入C3H8O,C3H8O被氧化為C。 答案:(1)N2H4-4e-+4OH-N2+4H2O (2)CO(NH2)2+ClO-+2OH-N2H4↑+C+Cl-+H2O (3)b　a　化學　29.3 (4)O2　C3H8O-18e-+24OH-3C+16H2O 10.(16分)(能力挑戰(zhàn)題)(1)利用二氧化碳制備乙烯,用惰性電極電解強酸性二氧化碳水溶液可得到乙烯,其原理如圖所示。 ①b電極上的電極反應式為______________; ②該裝置中使用的是________(填“陰” 或“陽”)離子交換膜。 (2)某研究小組用NaOH溶液吸收尾氣中的二氧化硫,將得到的Na2SO3溶液進行電解,其中陰陽膜組合電解裝置如圖所示,電極材料為石墨。 ① a表示________離子交換膜(填“陰”或“陽”)。A～E分別代表生產中的原料或產品。其中C為硫酸,則A表示________。 ②陽極的電極反應式為_________________。 (3)如圖所示,利用電解法產生的Cl2也可氧化除去水中的氨氮,實驗室用石墨電極電解一定濃度的(NH4)2SO4與NaCl混合溶液來模擬。電解時,b為電源________極,陽極的電極反應式為________________。 (4)NOx可“變廢為寶”,由NO電解可制備NH4NO3,其工作原理如圖所示(M、N為多孔電極)。為使電解產物全部轉化為NH4NO3,需向電解產物中補充適量NH3。電解時M和電源______極(填“正”或“負”)相連,書寫N極發(fā)生的電極反應式_____ ___________________。 【解析】(1)①b電極與電源的負極相連,作陰極,溶液中的CO2得到電子轉化為乙烯,溶液顯酸性,因此陰極上的電極反應式為2CO2+12e-+12H+C2H4+4H2O;②為了防止氫氧根離子與CO2反應,因此該裝置中使用的是陽離子交換膜。 (2)①從C為硫酸可知,硫酸根來源于亞硫酸根放電,故b為陰離子交換膜,a為陽離子交換膜,在陰極區(qū)應為水放電生成氫氣和氫氧根離子,故A為氫氧化鈉,E為氫氣; ②陽極應為亞硫酸根放電生成硫酸根,反應的離子方程式為S-2e-+H2O 2H++S。 (3)陽極上氯離子失電子發(fā)生氧化反應,電極反應式為2Cl—2e-Cl2↑,陰極上氫離子得到電子發(fā)生還原反應生成氫氣,破壞了水的電離平衡,氫氧根離子濃度增大,結合銨根離子生成一水合氨,電極反應為:2H2O+2N+2e-2NH3H2O+ H2↑或2H++2e-H2↑,氯氣上升過程中被吸收,所以裝置圖中b為正極,a為負極。 (4)電解NO制備NH4NO3,由圖可知N為陽極,反應為NO-3e-+2H2ON+4H+,M為陰極,反應為NO+5e-+6H+N+H2O,從兩極反應可看出,要使得失電子守恒,陽極產生的N的物質的量大于陰極產生的N的物質的量,總反應方程式為8NO+7H2O3NH4NO3+2HNO3,因此若要使電解產物全部轉化為NH4NO3,需補充NH3。根據(jù)以上分析,M為陰極,和電源負極相連,N為陽極,反應式為NO-3e-+ 2H2ON+4H+ 答案:(1)①2CO2+12e-+12H+C2H4+4H2O ②陽　(2)①陽　NaOH溶液?、赟-2e-+H2O2H++S　(3)正　2Cl--2e-Cl2↑(或Cl--2e-+H2OHClO+H+) (4)負　NO-3e-+2H2ON+4H+