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课时规范练22　电解池　金属的腐蚀与防护
一、选择题:本题共7小题,每小题只有一个选项符合题目要求。
1.关于图中装置说法正确的是(　　)
A.装置中电子移动的方向:负极→Fe→M溶液→石墨→正极
B.若M为滴加酚酞的NaCl溶液,通电一段时间后,铁电极附近溶液显红色
C.若M为CuSO4溶液,可以实现在石墨上镀铜
D.若将电源反接,M为NaCl溶液,可用于制备Fe(OH)2并使其较长时间保持白色
2.关于下列装置分析正确的是(　　)
A.装置甲中阳极上析出红色物质
B.若装置甲起始阶段两极质量相同,电流表中通过0.1 mol电子,则装置甲两极质量差为3.2 g
C.若装置乙通电一段时间后,撤去直流电源,电流表指针可能偏转
D.可以将装置乙中的铜片更换为锌片制成镀锌铁
3.(2024广西河池模拟)高铁酸钠(Na2FeO4)是一种新型绿色消毒剂,主要用于饮用水处理。工业上制备高铁酸钠有多种方法,以Fe、Ni为电极制取Na2FeO4的原理如图所示,制备过程中定期向Ⅱ补充NaOH溶液。下列叙述错误的是(　　)
A.Fe电极与外接直流电源正极相连
B.Ni电极的电极反应为4OH--4e-2H2O+O2↑
C.电解时,Ⅱ室中的Na+向Ⅰ室移动
D.理论上每转移1.2 mol电子,Ⅰ室中溶液质量增加26.4 g
4.(2024广西等级考适应性测试)利用如图的电化学装置,可实现对CO2的固定。下列说法错误的是(　　)
A.Cl向b电极移动
B.a电极的电极反应为+CO2+2e-+F-
C.电解过程中有H+生成
D.b电极的Pt用Cu代替后总反应不变
5.(2025八省联考云南卷)低空经济为新能源电池拓宽了应用场景。一种新型光伏电池工作原理如图所示,其中KI-KI3为电解质溶液。太阳光照下,敏化后的TiO2产生电子(e-)和空穴(h+),驱动电流产生和离子移动。下列说法错误的是(　　)
A.电池工作时,涉及光能转化为电能
B.敏化TiO2电极是负极
C.Pt电极反应为3I--2e-
D.光敏化剂结构中,中心离子Ru2+的配位数是6
6.我国科学家设计的CO2熔盐捕获与转化装置如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.由图可知捕获CO2过程的初期发生了氧化还原反应
B.熔盐可用CCl4代替
C.d极的电极反应式C-4e-C+3O2-
D.转移1 mol电子该装置最终可捕获CO2 5.6 L(标准状况下)
7.(2023全国甲卷)用可再生能源电还原CO2时,采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物(乙烯、乙醇等)的生成率,装置如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上
B.Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极
C.阴极发生的反应有2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O
D.每转移1 mol电子,阳极生成11.2 L气体(标准状况)
二、非选择题:本题共2小题。
8.(1)环戊二烯()可用于制备二茂铁[Fe(C5H5)2],结构简式为,后者广泛应用于航天、化工等领域中。二茂铁的电化学制备原理如图所示,其中电解液为溶解有溴化钠(电解质)和环戊二烯的DMF溶液(DMF为惰性有机溶剂)。
该电解池的阳极为　　　　　　,总反应为　　　　　　　　　　　　　　。
电解制备需要在无水条件下进行,原因为 　　　　　　　　　　　　　　。
(2)可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢,工作示意图如图。通过控制开关连接K1或K2,可交替得到H2和O2。
①制H2时,连接　　　　。产生H2的电极反应式是　　　　　　　　　　　　　　。
②改变开关连接方式,可得O2。
③结合①和②中电极3的电极反应式,说明电极3的作用: 　　　　　　　　　　　　　　。
(3)CH4和CO2都是比较稳定的分子,科学家利用电化学装置实现两种分子的耦合转化,其原理如下图所示:
①阴极上的反应式为　　　　　　　　　　　　　　。
②若生成的乙烯和乙烷的体积比为2∶1,则消耗的CH4和CO2体积比为　　　　　　　　　　　　　　。
9.(1)电解法转化CO2可实现CO2的资源化利用。电解CO2制HCOOH的原理示意图如图1。
图1
①写出阴极CO2还原为HCOO-的电极反应:　 　　　　　　　　　　　　　。
②电解一段时间后,阳极区的KHCO3溶液浓度降低,其原因是 　　　　　　　　　　　　　　。
(2)化工生产的副产物氢也是氢气的来源。电解法可制取有广泛用途的Na2FeO4,同时获得氢气:Fe+2H2O+2OH-Fe+3H2↑,工作原理如图2所示。装置通电后,铁电极附近生成紫红色Fe,镍电极有气泡产生。若氢氧化钠溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质。已知:Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,易被H2还原。
①电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在　　　　　　　(填“阴极室”或“阳极室”)。
②电解过程中,须将阴极产生的气体及时排出,其原因: 　　　　　　　　　　　　　　。
③c(Na2FeO4)随初始c(NaOH溶液)的变化如图3,任选M、N两点中的一点,分析c(Na2FeO4)低于最高值的原因: 　　　　　　　　　　　　　　。
参考答案
课时规范练22　电解池　金属的腐蚀与防护
1.B　解析 电子不能进入溶液中,A项错误;由图可知铁电极为阴极,水电离出的氢离子在阴极得电子生成氢气,电极反应式为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阴极附近OH-浓度增大,碱性增强,使酚酞溶液变红,B项正确;若M为CuSO4溶液,Cu在铁电极表面析出,C项错误;若将电源反接,铁作阳极,则铁失电子生成Fe2+,石墨作阴极,水电离出的氢离子在阴极得到电子生成氢气,溶液中的OH-浓度增大,Fe2+和OH-反应生成氢氧化亚铁沉淀,但是溶液中的氧气能够将氢氧化亚铁氧化为红褐色的氢氧化铁沉淀,则氢氧化亚铁不能较长时间保持白色,D项错误。
2.B　解析 由题图可知,装置甲为电解池,右侧石墨电极为阳极,氯离子发生氧化反应生成氯气,A项错误;装置甲左侧石墨电极上析出铜单质,转移0.1 mol电子,会生成3.2 g铜单质,右侧石墨电极上无固体析出,两极质量差为3.2 g,B项正确;由题图可知,装置乙为电镀池,阳极电极反应式为Cu-2e-Cu2+,阴极电极反应式为Cu2++2e-Cu,所以电解池工作一段时间后,铁制品表面镀上一层铜,撤去直流电源无法形成原电池,电流表指针不会偏转,C项错误;将铜片更换为锌片,阳极的电极反应式为Zn-2e-Zn2+,氧化性:Zn2+3.B　解析 Fe电极作阳极,将与外接直流电源正极相连,A项正确;Ni电极为阴极,阴极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,B项错误;Fe电极为阳极,Ni电极为阴极,阳离子向阴极迁移,故Ⅱ室中的Na+向Ⅰ室移动,C项正确;外电路中每通过1.2 mol电子,根据2H2O+2e-H2↑+2OH-,有0.6 mol H2生成,同时有1.2 mol Na+进入Ⅰ室,Ⅰ室中溶液质量增加:1.2 mol×23 g·mol-1-0.6 mol×2 g·mol-1=26.4 g,D项正确。
4.D　解析 由图可知,a电极和CO2得电子,发生还原反应,为阴极,则b为阳极,发生氧化反应,水放电生成O2和H+。电解池阳极吸引阴离子,Cl向b电极移动,A项正确;a电极和CO2得电子,电极反应为+CO2+2e-+F-,B项正确;b为阳极,发生氧化反应,水放电生成O2和H+,电极反应为2H2O-4e-O2↑+4H+,C项正确;b电极为阳极,Pt用Cu代替后,Cu放电生成Cu2+,则总反应会发生变化,D项错误。
5.C　解析 该装置是光伏电池,太阳光照下敏化后的TiO2产生电子(e-)和空穴(h+),驱动电流产生和离子移动,所以电池工作时,涉及光能转化为电能,A项正确;太阳光照下,敏化后的TiO2产生电子(e-)和空穴(h+),即敏化TiO2电极失电子为负极,B项正确;Pt电极为正极,发生得电子的还原反应,Pt电极电极反应为+2e-3I-,C项错误;由图可知,光敏化剂结构中,中心离子Ru2+与6个N原子成键,则配位数是6,D项正确。
6.D　解析 由图可知捕获CO2过程的初期CO2与O2-反应生成C和C2,元素化合价不变,为非氧化还原反应,A错误;CCl4不能导电,无法形成电解池,B错误;d极电极上C得电子生成C,电极反应为C+4e-C+3O2-,C错误;碳元素的化合价由+4价变为0价,则转移1 mol电子可捕获标准状况下5.6 L CO2,D正确。
7.C　解析 根据电还原CO2可知IrOx-Ti电极为电解池阳极,Cu电极为电解池阴极。析氢反应发生在阴极(Cu电极)上,A项错误;质子交换膜只允许两极区转移H+,B项错误;2O2H4,结合H2SO4溶液和电荷守恒可知阴极反应有2CO2+12H++12e-C2H4+4H2O,C项正确;阳极反应为:
2H2O-4e- O2↑+4H+
4 mol 22.4 L
1 mol V(O2)
解得V(O2)=5.6 L,D项错误。
8.答案 (1)Fe电极　Fe+2+H2↑[或Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑]　水会阻碍中间物Na的生成;水会电解生成OH-,进一步与Fe2+反应生成Fe(OH)2
(2)①K1　2H2O+2e-H2↑+2OH-　③制H2时,电极3发生反应:Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O。制O2时,上述电极反应逆向进行,使电极3得以循环使用
(3)①CO2+2e-CO+O2-　②6∶5
解析 (1)根据Fe的化合价升高为+2价可知,Fe发生氧化反应,故Fe作阳极;根据二茂铁的分子式可知,两个环戊二烯去掉2个H原子,再结合所给信息,可得总反应方程式为Fe+2+H2↑或Fe+2C5H6Fe(C5H5)2+H2↑。有水存在的条件下,Na+不能得到电子生成Na,而是H2O得电子生成H2和OH-,OH-会与Fe2+反应生成Fe(OH)2。
(2)①根据题图中电极3的转化关系可知,制H2时,连接K1。碱性条件下,生成H2的电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-。
③①中电极3反应式为Ni(OH)2+OH--e-NiOOH+H2O,消耗生成H2时产生的OH-。而②中电极3的电极反应式为NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-,补充生成O2所需的OH-,同时保证电极3得以循环使用。
(3)由题图可知,阳极上CH4转化成C2H6、C2H4、H2O:
2CH4-2e-+O2-C2H6+H2O,
2CH4-4e-+2O2-C2H4+2H2O。
阴极上CO2转化成CO和O2-:CO2+2e-CO+O2-。
相同条件下,气体的体积比等于气体的物质的量之比,若生成乙烯和乙烷的体积比为2∶1,则每生成2 mol C2H4、1 mol C2H6,转移电子10 mol、消耗6 mol CH4,根据得失电子守恒可知消耗5 mol CO2。则消耗的CH4和CO2的体积比为6∶5。
9.答案 (1)①CO2+H++2e-HCOO-(或CO2+HC+2e-HCOO-+C)　②阳极产生O2和H+,HC浓度降低;部分K+迁移至阴极区
(2)①阳极室　②防止Na2FeO4与H2反应使产率降低　③M点:c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢[或N点:c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3生成,使Na2FeO4产率降低]
解析 (1)①CO2中的C元素为+4价,HCOO-中的C元素为+2价,1 mol CO2转化为HCOO-时,得2 mol e-。②阳极上水放电,生成O2和H+,H+会与HC反应使HC减少,由电荷平衡可知,K+会移向阴极区,所以KHCO3溶液浓度降低。
(2)①根据题意,镍电极与电池的负极相连,为阴极,则镍电极有气泡产生是水电离出的H+得电子生成H2,阴极的电极反应为2H2O+2e-H2↑+2OH-,阳极的电极反应为Fe-6e-+8OH-Fe+4H2O,阳极室中OH-的消耗大于补充,因此电解一段时间后,c(OH-)降低的区域在阳极室。②Na2FeO4易被H2还原,因此电解过程中,须将阴极产生的H2及时排出,防止Na2FeO4与H2反应使产率降低。③根据题意Na2FeO4只在强碱性条件下稳定,在M点:c(OH-)低,Na2FeO4稳定性差,且反应慢;根据题意若NaOH溶液浓度过高,铁电极区会产生红褐色物质,在N点:c(OH-)过高,铁电极上有Fe(OH)3生成,使Na2FeO4产率降低。
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