1、电解池金属的电化学腐蚀与防护(45分钟100分)一、选择题(本题包括6小题,每题7分,共42分)1.一定条件下,碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下:pH2466.5813.514腐蚀快慢较快慢较快主要产物Fe2+Fe3O4Fe2O3Fe下列说法不正确的是()A.在pH6溶液中,碳钢主要发生吸氧腐蚀C.在pH14溶液中,碳钢腐蚀的正极反应为O2+4H+4e-2H2OD.在煮沸除氧气的碱性溶液中,碳钢腐蚀速率会减缓【解析】选C。pH6的溶液,氧气得电子,发生吸氧腐蚀,B正确;pH14的溶液,氧气与水反应得电子:O2+2H2O+4e-4OH-,C错误;煮沸后除去了氧气,碳钢的腐蚀速率会减缓,D正确。2.图
2、的目的是精炼铜,图的目的是保护钢闸门,下列说法不正确的是()A.图中a为纯铜B.图中S向b极移动C.图中如果a、b间连接电源,则a连接负极D.图中如果a、b间用导线连接,则X可以是铜【解析】选D。电解精炼铜时,粗铜作阳极,精铜作阴极,图中a为纯铜,A项正确;图为电解池,阳离子移向阴极(a极),阴离子移向阳极(b极),B项正确;图的目的是保护钢闸门,若a、b间连接电源,则a连接负极,b连正极,C项正确;若图中a、b用导线连接,为保护钢闸门,钢闸门作正极,X应为比铁活泼的金属,而不可以是铜,D项不正确。3.工业上用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:N在
3、弱酸性溶液中发生水解 氧化性:N(高浓度)H+N(低浓度)A.碳棒上发生的电极反应:4OH-4e-O2+2H2OB.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pHD.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【解析】选B。电极反应式为阳极:4OH-4e-2H2O+O2阴极:N+2e-Ni2H+2e-H2,A项正确;B项,由于C中N、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N(低浓度)的氧
4、化性,所以为了提高Ni的产率,电解过程需要控制废水的pH;D项,若去掉阳离子膜,在阳极Cl-放电生成Cl2,反应总方程式发生改变,正确。【加固训练】烧杯A中盛放0.1 molL-1的H2SO4溶液,烧杯B中盛放0.1 molL-1的CuCl2溶液(两种溶液均足量),装置如图所示,下列说法不正确的是()A.A中Fe极质量减少,C极有气体产生B.A为电解池,B为原电池C.当A烧杯中产生0.1 mol气体时,B烧杯中产生气体的物质的量也为0.1 molD.经过一段时间,B烧杯中溶液的pH增大【解析】选B。构成A装置的是活动性不同的电极、电解质溶液,两极形成了闭合的回路,所以A为原电池装置,且A为B的
5、电解提供电能。电极反应式分别为(烧杯A中)C正极:2H+2e-H2,Fe负极:Fe-2e-Fe2+。(烧杯B中)阴极:Cu2+ 2e-Cu,阳极:2Cl-2e-Cl2。烧杯B中电解氯化铜,铜离子浓度减小,水解程度减小,pH增大(不考虑Cl2溶于水)。4.等物质的量的BaCl2、K2SO4和AgNO3溶于水形成混合溶液,用石墨电极电解此溶液,经过一段时间后,阴、阳两极收集到的气体体积之比为32。下列说法正确的是()A.阴极反应为Ag+e-AgB.阳极始终发生反应:2Cl-2e-Cl2C.两极共生成三种气体D.向电解后溶液中通入适量的HCl可使溶液恢复到电解前的状态【解析】选C。三种物质溶于水后,
6、发生反应Ba2+SBaSO4、Ag+Cl-AgCl,则混合溶液的溶质为KCl和KNO3。由题意,阴、阳两极收集到的气体体积之比为32,所以阴极反应为2H+2e-H2,阳极反应为2Cl-2e-Cl2和4OH-4e-O2+2H2O,阴、阳两极共生成氢气、氯气和氧气三种气体,要使电解质溶液复原,需要通入适量的HCl,还需要加入适量的水。5.碱性硼化钒(VB2)-空气电池工作时原理为4VB2+11O24B2O3+2V2O5。用该电池为电源,惰性电极电解硫酸铜溶液,实验装置如图所示。当外电路中通过0.04 mol 电子时,B装置内共收集到0.448 L气体(标准状况)。则下列说法正确的是 ()A.VB2
7、电极发生的电极反应为2VB2+11H2O-22e-V2O5+2B2O3+22H+B.外电路中电子由c电极流向VB2电极C.电解过程中,b电极表面先有红色物质析出,然后有气泡产生D.若B装置内的液体体积为200 mL,则CuSO4溶液的物质的量浓度为0.05 molL-1【解析】选D。负极VB2失电子发生氧化反应,电极反应式为2VB2+22OH-22e-V2O5+2B2O3+11H2O,A错误;外电路中电子由VB2电极流向阴极c,B错误;b为阳极,氢氧根失电子生成氧气,C错误;外电路通过0.04 mol 电子时,b电极生成0.01 mol O2,共收集到0.448 L 气体,则阴极产生0.01
8、mol H2,溶液中n(Cu2+)=0.01 mol,c(CuSO4)=0.05 molL-1,D正确。【方法规律】电池类型的判定规律1.有外接电源串联电池,则是电解池或电镀池。当阳极金属与电解质溶液中的金属阳离子相同则为电镀池,其他情况为电解池。2.无外接电源的串联电池,一定有一个是原电池,判断方法:(1)燃料电池、铅蓄电池为原电池,其他装置为电解池。(2)根据电池中的电极材料和电解质溶液判断:电极材料和电解质溶液之间能发生自发氧化还原反应的是原电池,其他装置为电解池。(3)根据电极反应现象判断:如图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,则知乙是原电池,D是正极,
9、C是负极;甲是电解池,A是阳极,B是阴极。6.(能力挑战题)将H2S通入FeCl3溶液中,过滤后将反应液加入电解槽中电解(如图所示),电解后的溶液还可以循环利用。该方法可用于处理石油炼制过程中产生的H2S废气。下列有关说法正确的是 ()A.过滤得到的沉淀可能是FeS和SB.若有0.20 mol电子转移,一定能得到2.24 L氢气C.可以用Fe与外接电源的a极相连D.与a极相连的电极反应为Fe2+-e-Fe3+【解析】选D。H2S与FeCl3反应生成S、盐酸和氯化亚铁,A错误;没有给出氢气所处的条件,不能求氢气的体积,B错误;根据右边生成氢气知b是负极,a是正极,若铁作阳极,被溶解,C错误。二、
10、非选择题(本题包括4小题,共58分)7.(12分)在生产生活中,金属腐蚀所带来的损失非常严重,所以防止金属腐蚀已经成为科学研究和技术领域的重大问题。某化学兴趣小组的同学在实验室对金属腐蚀进行了探究。(1)分别在三个洁净干燥的试管中各加入一个洁净无锈的铁钉,再向、号两个试管中分别加入经煮沸迅速冷却的蒸馏水,然后向号试管中加入少量植物油,将号试管塞上木塞。请判断:_号试管中的铁钉最容易生锈。由此可见,铁制品生锈需要的条件是_。(2)如图2所示,处于A、B、C三种不同环境中的铁片,被腐蚀的速率由大到小的顺序是_(用字母表示)。(3)据报道,全世界每年因为金属腐蚀造成的直接经济损失约达7 000亿美元
11、,我国因金属腐蚀造成的损失约占国民生产总值的4%。钢铁在发生电化学腐蚀时,负极反应为_。请写出用稀硫酸除去铁锈的化学方程式:_。请根据不同的原理,提出防止钢铁腐蚀的两条合理措施:_、_。【解析】(1)铁生锈的条件:与氧气接触,有水参加。二者缺一不可,具备该条件的只有。(2)铁处于A环境中作原电池的负极,腐蚀速度较快;处于B环境中作原电池的正极被保护,腐蚀速度很慢;处于C环境中发生吸氧腐蚀,腐蚀速度较慢。(3)发生电化学腐蚀时,负极上金属铁发生失电子的氧化反应。铁锈的主要成分是氧化铁,可以和酸反应生成盐和水。防止钢铁锈蚀的关键是使铁与氧气、水隔绝,可以进行表面防护处理(如涂油、刷漆、表面镀金属等
12、),还可以改变金属内部结构(如制成不锈钢)等。答案:(1)有水和氧气(2)ACB(3)Fe-2e-Fe2+Fe2O3+3H2SO4Fe2(SO4)3+3H2O改变金属内部结构刷漆(合理即可)8.(12分)太阳能电池可用作电解的电源(如图)。 (1)若c、d均为惰性电极,电解质溶液为硫酸铜溶液,电解过程中,c极先无气体产生,后又生成气体,则c极为_极,在电解过程中,溶液的pH_(填“增大”“减小”或“不变”),停止电解后,为使溶液恢复至原溶液应加入适量的_。(2)若c、d均为铜电极,电解质溶液为氯化钠溶液,则电解时,溶液中氯离子的物质的量将_(填“增大”“减小”或“不变”)。(3)若用石墨、铁作
13、电极材料,可组装成一个简易污水处理装置。其原理是加入试剂调节污水的pH在5.06.0。接通电源后,阴极产生的气体将污物带到水面形成浮渣而刮去,起到浮选净化作用;阳极产生的有色物质具有吸附性,吸附污物而沉积,起到凝聚净化作用。该装置中,阴极的电极反应为_;阳极区生成的有色物质是_。【解析】(1)用惰性电极电解硫酸铜溶液,c极上先无气体生成,后又产生气体,说明c极为阴极(先生成Cu,后生成H2),电解CuSO4溶液最终生成H2SO4,溶液的pH减小。电解过程分两个阶段:第一阶段,阴极生成Cu,阳极生成O2,溶液中减少的相当于CuO;第二阶段,阴极生成H2,阳极生成O2,溶液中减少的是H2O。(2)
14、若c、d为铜电极时,阳极:Cu-2e-Cu2+,电解质溶液中Cl-不放电,故其物质的量不变。(3)若用石墨、铁作电极材料,阴极产生气体,阴极发生的反应只能是2H+2e-H2,阳极生成有色物质,则阳极为铁放电,Fe-2e-Fe2+,最终生成Fe(OH)3。答案:(1)阴减小CuO和H2O(2)不变(3)2H+2e-H2Fe(OH)39.(18分)肼(N2H4)又称联氨,广泛用于火箭推进剂、有机合成及燃料电池等方面,NO2的二聚体N2O4是火箭中常用的氧化剂。请回答下列问题:(1)肼燃料电池的原理如图1所示,左边电极上发生反应的电极反应式为_。(2)联氨在工业生产中常以氨和次氯酸钠为原料获得,也可
15、在高锰酸钾作催化剂条件下,用尿素CO(NH2)2和次氯酸钠、氢氧化钠溶液反应获得,尿素法反应的离子方程式为_。(3)某模拟“人工树叶”的电化学实验装置如图2所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。该装置工作时,H+从_(填字母,下同)极区向_极区迁移,将电能转化为_能,每生成1 mol O2,有_g CO2被还原(小数点后保留1位数字)。(4)图3中甲装置为C3H8O的燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)装置,该同学想在乙装置中实现铁上镀铜,则f处通_,写出电极c上的电极反应式:_。【解析】(1)由图1可知燃料电池左边是N2H4生成N2和H2O,N化合价升高,N2H4失去电
16、子发生氧化反应。(2)ClO-作氧化剂,被尿素还原成Cl-,尿素则被氧化为联氨,再根据原子个数守恒,即可写出离子方程式。(3)由图2知,该装置为电解池,将电能转化为化学能,该装置工作时,在b极(阳极)H2O失去电子被氧化为O2,同时产生H+,H+从b极区向a极(阴极)区移动,由得失电子守恒知,每生成1 mol O2转移4 mol e-,每消耗1 mol CO2转移6 mol e-,则被还原的CO2的质量为 mol44 gmol-129.3 g。(4)由图3可知,在Fe极上镀Cu,则Fe为阴极,Cu为阳极,则与Cu相连的燃料电池的d极为正极,所以f处通入O2。燃料电池的c极为负极,e处通入C3H
17、8O,C3H8O被氧化为C。答案:(1)N2H4-4e-+4OH-N2+4H2O(2)CO(NH2)2+ClO-+2OH-N2H4+C+Cl-+H2O(3)ba化学29.3(4)O2C3H8O-18e-+24OH-3C+16H2O10.(16分)(能力挑战题)(1)利用二氧化碳制备乙烯,用惰性电极电解强酸性二氧化碳水溶液可得到乙烯,其原理如图所示。b电极上的电极反应式为_;该装置中使用的是_(填“阴” 或“阳”)离子交换膜。(2)某研究小组用NaOH溶液吸收尾气中的二氧化硫,将得到的Na2SO3溶液进行电解,其中阴阳膜组合电解装置如图所示,电极材料为石墨。 a表示_离子交换膜(填“阴”或“阳”
18、)。AE分别代表生产中的原料或产品。其中C为硫酸,则A表示_。阳极的电极反应式为_。(3)如图所示,利用电解法产生的Cl2也可氧化除去水中的氨氮,实验室用石墨电极电解一定浓度的(NH4)2SO4与NaCl混合溶液来模拟。电解时,b为电源_极,阳极的电极反应式为_。(4)NOx可“变废为宝”,由NO电解可制备NH4NO3,其工作原理如图所示(M、N为多孔电极)。为使电解产物全部转化为NH4NO3,需向电解产物中补充适量NH3。电解时M和电源_极(填“正”或“负”)相连,书写N极发生的电极反应式_。【解析】(1)b电极与电源的负极相连,作阴极,溶液中的CO2得到电子转化为乙烯,溶液显酸性,因此阴极
19、上的电极反应式为2CO2+12e-+12H+C2H4+4H2O;为了防止氢氧根离子与CO2反应,因此该装置中使用的是阳离子交换膜。(2)从C为硫酸可知,硫酸根来源于亚硫酸根放电,故b为阴离子交换膜,a为阳离子交换膜,在阴极区应为水放电生成氢气和氢氧根离子,故A为氢氧化钠,E为氢气;阳极应为亚硫酸根放电生成硫酸根,反应的离子方程式为S-2e-+H2O2H+S。(3)阳极上氯离子失电子发生氧化反应,电极反应式为2Cl2e-Cl2,阴极上氢离子得到电子发生还原反应生成氢气,破坏了水的电离平衡,氢氧根离子浓度增大,结合铵根离子生成一水合氨,电极反应为:2H2O+2N+2e-2NH3H2O+H2或2H+
20、2e-H2,氯气上升过程中被吸收,所以装置图中b为正极,a为负极。(4)电解NO制备NH4NO3,由图可知N为阳极,反应为NO-3e-+2H2ON+4H+,M为阴极,反应为NO+5e-+6H+N+H2O,从两极反应可看出,要使得失电子守恒,阳极产生的N的物质的量大于阴极产生的N的物质的量,总反应方程式为8NO+7H2O3NH4NO3+2HNO3,因此若要使电解产物全部转化为NH4NO3,需补充NH3。根据以上分析,M为阴极,和电源负极相连,N为阳极,反应式为NO-3e-+2H2ON+4H+答案:(1)2CO2+12e-+12H+C2H4+4H2O阳(2)阳NaOH溶液S-2e-+H2O2H+S(3)正2Cl-2e-Cl2(或Cl-2e-+H2OHClO+H+)(4)负NO-3e-+2H2ON+4H+11