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第2节　电解池　金属的腐蚀与防护
第8章
课标要求
1.认识化学能与电能相互转化的实际意义及其重要应用。了解电解池的工作原理,认识电解在实现物质转化和储存能量中的具体应用。了解金属发生电化学腐蚀的本质,知道金属腐蚀的危害,了解防止金属腐蚀的措施。
2.能分析、解释电解池的工作原理,能设计简单的电解池。能利用电化学原理解释金属腐蚀现象,选择并设计防腐措施。
3.能举例说明化学在解决能源危机中的重要作用,能分析能源的利用对自然环境和社会发展的影响。能综合考虑化学变化中的物质变化和能量变化来分析、解决实际问题。
备考指导
1.本部分主要考查:
(1)电解池的工作原理,如电解池阴阳极的判断、电极反应式的书写及溶液pH的变化等。
(2)电解规律及其应用,如氯碱工业、粗铜的精炼、电镀等。
(3)金属发生电化学腐蚀的原因和防止金属腐蚀的措施。题型有选择题、填空题。
2.对电解原理的复习应该针对以下几点:(1)理解电解池基本原理;
(2)阴、阳电极的判断;(3)电极反应类型;(4)电极反应式;(5)电子或电流流向。
内容索引
01
02
03
第一环节　必备知识落实
第二环节　关键能力形成
第三环节　核心素养提升
04
实验探源
第一环节　必备知识落实
知识点1
电解池原理及其应用
知识筛查
1.电解
2.电解池
(1)定义:电解池是把电能转变为化学能的装置。
(2)电解池的构成条件:
①有外接直流电源;
②有与电源相连的两个电极;
③形成闭合回路;
④电解质溶液或熔融电解质。
(3)电解池工作原理(以电解CuCl2溶液为例)。
(4)电解原理示意图。
特别提醒(1)“活泼电极”一般指Pt、Au以外的金属电极。金属活动性顺序中银以后的金属或非金属作电极时,称为惰性电极,主要有铂(Pt)、石墨等。
(2)电解时,在外电路中有电子通过,而在溶液中是依靠离子定向移动形成电流的,即电子不通过电解质溶液。
3.判断电解池阴极、阳极常用的方法
判断方法 阳极 阴极
电源正负极 与正极相连 与负极相连
闭合 回路 导线中 电子流出 电子流入
电解质溶液中 阳离子移离 阳离子移向
阴离子移向 阴离子移离
电极 反应 得失电子 失电子 得电子
化合价 升高 降低
反应类型 氧化反应 还原反应
电极质量 通常减小或不变 通常增大或不变
4.用惰性电极电解电解质溶液的一般规律
特别提醒分析电解池注意“两看”:
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属一定被电解(注:Fe在阳极失电子生成Fe2+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)电解质溶液的导电过程就是电解质溶液被电解的过程。(　　)
(2)某些不能自发进行的氧化还原反应,通过电解可以实现。(　　)
(3)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的碘化钾淀粉试纸变蓝色。(　　)
(4)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH逐渐增大。(　　)
(5)电解时,电解液中阳离子移向阳极,发生还原反应。(　　)
(6)电解硫酸钠溶液一段时间,可向电解液中加适量水以恢复到原浓度。(　　)
(7)电解硫酸铜溶液一段时间,为复原可加适量Cu(OH)2。(　　)
√
√
×
×
×
√
×
2.下列各组中,每种电解质溶液用惰性电极电解时只生成氢气和氧气的一组是(　　)。
A.HCl、CuCl2、Ba(OH)2 B.NaOH、CuSO4、H2SO4
C.NaOH、H2SO4、Ba(OH)2 D.NaBr、H2SO4、Ba(OH)2
C
解析:用惰性电极电解时,常见离子的放电顺序:阳离子的放电顺序为Ag+>Cu2+>H+>Na+>K+,阴离子的放电顺序为I->Br->Cl->OH->常见含氧酸根离子。电解HCl溶液生成H2和Cl2,电解CuCl2溶液生成Cu和Cl2,电解Ba(OH)2溶液生成H2和O2,A项不符合题意;电解NaOH溶液和电解H2SO4溶液均生成H2和O2,电解CuSO4溶液生成Cu和O2,B项不符合题意;电解NaOH溶液、H2SO4溶液、Ba(OH)2溶液均相当于电解水,均生成H2和O2,C项符合题意;电解NaBr溶液生成Br2和H2,D项不符合题意。
知识点2
电解原理的应用
知识筛查
1.电解饱和食盐水
2.电解精炼铜
3.电镀铜
4.电冶金
特别提醒电解原理应用的四点注意事项:
(1)阳离子交换膜(以电解NaCl溶液为例),只允许阳离子(Na+)通过,而阻止阴离子(Cl-、OH-)和分子(Cl2)通过,这样既能防止H2与Cl2混合发生爆炸,又能避免Cl2与NaOH溶液作用生成NaClO影响烧碱的质量。
(2)电解或电镀时,电极质量减少的电极通常为金属电极——阳极;电极质量增加的电极通常为阴极,即溶液中的金属阳离子得电子变成金属吸附在阴极上。
(3)电解精炼铜时,粗铜中含有的Zn、Fe、Ni等活泼金属失去电子,变成金属阳离子进入溶液,其他活动性弱于铜的杂质以阳极泥的形式沉积。电解过程中电解质溶液中的Cu2+浓度会逐渐减小。
(4)电镀时,阳极(镀层金属)失去电子的数目与阴极镀层金属离子得到电子的数目相等,因此电镀液中电解质的浓度保持不变。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。(　　)
(2)根据得失电子守恒可知电解精炼铜时,阳极减少的质量和阴极增加的质量相等。(　　)
(3)电解精炼铜的阳极泥成分为Fe、Cu、Pt等。(　　)
(4)电解饱和NaCl溶液可获得金属钠。(　　)
(5)不能在铜表面镀上金属锌。(　　)
×
×
×
×
×
2.利用如图所示装置模拟电解原理在工业生产上的应用。下列说法正确的是(　　)。
A.氯碱工业中,X极电极反应式是4OH--4e-══2H2O+O2↑
B.电解精炼铜时,Z溶液中的Cu2+浓度不变
C.在铁片上镀铜时,Y是纯铜
D.制取金属镁时,Z是熔融的氯化镁
D
解析:氯碱工业中阳极上Cl-放电生成Cl2,A项错误;电解精炼铜时阳极粗铜溶解,阴极上Cu2+放电析出Cu,由于阳极有比铜活泼的金属放电,则溶液中Cu2+浓度变小,B项错误;在铁片上镀铜时,阴极应该是铁片,阳极是纯铜,C项错误。
知识点3
金属的腐蚀与防护
知识筛查
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,金属发生氧化反应。
2.化学腐蚀与电化学腐蚀
3.钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀
4.金属的保护
特别提醒(1)纯度越高的金属,腐蚀速率越小。
(2)不纯的金属或合金,在潮湿的空气中腐蚀速率远大于在干燥、隔绝空气条件下的腐蚀速率。
(3)对于活动性不同的两种金属的合金,通常活动性差别越大,活泼金属腐蚀得越快。
(4)在同一电解质溶液中,金属腐蚀由快到慢的顺序:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>应用原电池原理有保护措施的腐蚀>应用电解原理有保护措施的腐蚀;或电解池阳极>原电池负极>化学腐蚀>原电池正极>电解池阴极。
(5)其他条件相同,同一种金属在不同介质中腐蚀由快到慢的顺序:强电解质溶液>弱电解质溶液>非电解质溶液。
知识巩固
1.判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)所有金属纯度越大,越不易被腐蚀。(　　)
(2)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。(　　)
(3)干燥环境下金属不被腐蚀。(　　)
(4)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。(　　)
(5)钢铁发生电化学腐蚀时,负极上铁失去电子生成Fe3+。(　　)
(6)在金属表面覆盖保护层,若保护层破损后,就完全失去了对金属的保护作用。(　　)
(7)外加电流法利用了电解原理,牺牲阳极法利用了原电池原理,两者均能有效地防止金属被腐蚀。(　　)
×
×
×
×
×
×
√
2.为探究钢铁的吸氧腐蚀原理设计了如图所示的装置,下列有关说法中错误的是(　　)。
A.正极的电极反应式为2H2O+O2+4e-══4OH-
B.将石墨电极改成Mg电极,难以观察到铁锈生成
C.若向自来水中加入少量NaCl(s),可较快地看到铁锈
D.将铁、石墨电极交换位置,交换后铁锈出现得慢
D
解析:Fe是负极,失电子被氧化成Fe2+,在正极上O2得电子发生还原反应生成OH-,故将铁和石墨交换位置,依然是铁作负极,被腐蚀,腐蚀速率无明显变化,A项正确,D项错误;向自来水中加入NaCl(s),可使电解质溶液的导电能力增强,增大腐蚀速率,C项正确;但若将石墨电极换成Mg电极,则负极为Mg,Fe被保护,难以看到铁生锈,B项正确。
第二环节　关键能力形成
能力点1
运用电极反应式或总反应式表征电解装置工作原理的能力
整合建构
电解池中电极反应式的书写步骤
问题引领
(1)如何从氧化还原反应的视角理解电解池的结构及其工作原理
(2)根据金属活动性顺序,Cu与稀硫酸不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu与稀硫酸反应产生H2
点拨(1)电解池就是一个通过外接电源使不自发的氧化还原反应自发进行的装置;在外接电源提供的电势差的作用下,让电子被动地定向移动起来,形成电流的装置。与外接电源正极相连的一极让此处还原性较强的还原剂被动失电子发生氧化反应,该极被称为阳极;与外接电源负极相连的一极让此处氧化性较强的氧化剂被动得电子发生还原反应,该极被称为阴极,电解池内部带电粒子在阴阳极间电势差(阳极电势高,阴极电势低)的作用下定向移动,阳离子向阴极移动,阴离子向阳极移动,从而形成闭合回路。因此,阴极反应就是氧化剂得电子生成还原产物的还原反应,阳极反应就是还原剂失去电子生成氧化产物的氧化反应。
(2)Cu作阳极,C作阴极,稀硫酸作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。阳极的电极反应式为Cu-2e-══Cu2+,阴极的电极反应式为2H++2e-══H2↑,电解池总反应式为Cu+2H+ Cu2++H2↑。
训练突破
1.工业上电解NaHSO4溶液制备Na2S2O8。电解时,阴极材料为Pb;阳极(铂电极)电极反应式为 。下列说法正确的是(　　)。
C
2.(2023全国甲)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,装置如下图所示。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)
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;
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。
能力点2
熟练运用电化学原理分析复杂电路的能力
整合建构
1.多池串联装置中电池类型的判断
(1)直接判断。
非常直观明显的装置,如燃料电池、铅酸蓄电池等在电路中时,其他装置为电解池。如下图: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。
原电池一般是两种不同的金属电极或一种金属电极和一个石墨棒作电极;而电解池则一般都是两个惰性电极,如两个铂电极或两个石墨棒。原电池(燃料电池除外)中的负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进行自发反应。如图: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:
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极上发生还原反应,A、C极上发生氧化反应。
2.有关概念的分析和判断
在确定了原电池和电解池后,有关概念的分析和判断如:电极的判断、电极反应式的书写、实验现象的描述、溶液中离子的移动方向、溶液pH的变化及电解质溶液的恢复等,只要按照各自的规律分析就可以了。
在分析多池串联在一起的复杂电路时,当分析其中一个时,其余均可看作导线进行处理。
问题引领
在复杂电路中,闭合电路是如何形成的
点拨在复杂电路中,电子从电源的负极流出(负极处的还原剂失电子),进入与负极相连的电解池的阴极(阴极处的氧化剂得电子),电解池内部阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,电子从阳极流出(阳极处的还原剂失电子),进入相邻电解池的阴极(阴极处的氧化剂得电子),该电解池内部阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,电子再从该电解池阳极流出(阳极处的还原剂失电子),进入下一个相邻电解池的阴极(阴极处的氧化剂得电子),以此类推,电子从最后一个电解池的阳极流出(阳极处的还原剂失电子),进入电源的正极(正极处的氧化剂得电子),电源内部阴离子向负极移动,阳离子向正极移动。
训练突破
1.(2024湖北卷)我国科学家设计了一种双位点PbCu电催化剂,用H2C2O4和NH2OH电化学催化合成甘氨酸,原理如图,双极膜中H2O解离的H+和OH-在电场作用下向两极迁移。已知在KOH溶液中,甲醛转化为HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O。Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-══HCOO-+H·。
下列说法错误的是(　　)。
A.电解一段时间后阳极区c(OH-)减小
B.理论上生成1 mol H3N+CH2COOH,双极膜中有4 mol H2O解离
C.阳极总反应式为2HCHO+4OH--2e-══2HCOO-+H2↑+2H2O
D.阴极区存在反应H2C2O4+2H++2e-══OHC—COOH+H2O
B
解析:根据题述信息,在KOH溶液中HCHO转化为HOCH2O-,离子方程式为HCHO+OH-→HOCH2O-,存在平衡HOCH2O-+OH- [OCH2O]2-+H2O, Cu电极上发生的电子转移反应为[OCH2O]2--e-══HCOO-+H·,2个H·结合生成H2,Cu电极为阳极;PbCu电极为阴极,首先HOOC—COOH在Pb上发生得电子的还原反应转化为OHC—COOH,电极反应式为H2C2O4+2e-+2H+ ══OHC—COOH+H2O,然后OHC—COOH与HO—N+H3反应生成HOOC—CH═N—OH,离子方程式为OHC—COOH+HO—N+H3→HOOC—CH═N—OH+H2O+H+,最后HOOC—CH═N—OH在Cu上发生得电子的还原反应转化成H3N+CH2COOH,电极反应式为HOOC—CH═N—OH+4e-+5H+══ H3N+CH2COOH+H2O。
根据分析,电解过程中,阳极区消耗OH-、同时生成H2O,故电解一段时间后阳极区c(OH-)减小,A项正确;根据分析,阴极区的总反应为H2C2O4+HO—N+H3+6e-+6H+══H3N+CH2COOH+3H2O,1 mol H2O解离成1 mol H+和1 mol OH-,故理论上生成1 mol H3N+CH2COOH,双极膜中有6 mol H2O解离,B项错误;根据分析,结合装置图,阳极总反应为4OH-+2HCHO-2e-══2HCOO-+H2↑+2H2O,C项正确;根据分析,阴极区的Pb上发生反应H2C2O4+2e-+2H+ ══OHC—COOH+H2O,D项正确。
2.下图是一个化学过程的示意图。
(1)图中甲池是　　　　　　(填
“电解池”或“原电池”)装置,其中
OH-移向　　　　　　(填“CH3OH”
或“O2”)极。
(2)写出通入CH3OH的电极反应式: 　 。
(3)向乙池两电极附近分别滴加适量紫色石蕊溶液,附近变红的电极为　　　　　(填“A”或“B”)极,并写出此电极的电极反应式:　 。
(4)乙池中总反应的离子方程式为 　 。
(5)常温下,当乙池中B(Ag)极的质量增加5.40 g时,乙池的pH是　　　(此时乙池中溶液的体积为500 mL);此时丙池某电极析出1.60 g某金属,则丙池中的某盐溶液可能是　　　　　　。
A.MgSO4 B.CuSO4
C.NaCl D.AgNO3
当向乙池两电极附近分别滴加适量紫色石蕊溶液时,附近变红的电极为A极。常温下,当乙池中B(Ag)电极的质量增加5.40 g,即析出Ag的物质的量为0.05 mol时,生成H+的物质的量为0.05 mol,而乙池中溶液的体积为500 mL,由此可得溶液的pH=1。根据放电规律,首先排除MgSO4和NaCl。当乙池中B(Ag)电极的质量增加5.40 g时,此时转移的电子为0.05 mol,当丙池中电极上析出1.60 g金属铜时,正好转移0.05 mol电子,因此CuSO4符合题意。若丙装置中为AgNO3溶液,且AgNO3溶液不足量,金属Ag全部析出后再电解水,析出Ag的质量也可能为1.60 g。
能力点3
熟练运用守恒法解决电化学计算问题的能力
整合建构
原电池和电解池综合装置的有关计算的根本依据就是电子转移的守恒,分析时要注意两点:①串联电路中各支路电流相等;②并联电路中总电流等于各支路电流之和。在此基础上分析处理其他各种数据。
如图中装置甲是原电池,乙是电解池,若电路中有0.2 mol 电子转移,则Zn极溶解6.5 g,Cu极上析出H2 2.24 L(标准状况),Pt
极上析出Cl2 0.1 mol,C极上析出Cu 6.4 g。甲池
中H+被还原,产生H2,负极Zn被氧化生成ZnSO4
溶液,溶液的pH变大;乙池中是电解CuCl2溶液,
由于Cu2+浓度减小使溶液pH微弱增大,电解后
加入适量CuCl2固体可使溶液复原。
问题引领
(1)电化学计算的关键是什么
(2)电化学计算常用的方法有哪些
点拨(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)三种计算方法。
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。
训练突破
1.用惰性电极电解一定量的硫酸铜溶液,通电一段时间后,向电解液中加入0.1 mol碱式碳酸铜晶体(不含结晶水),恰好使溶液恢复到电解前的浓度和pH。下列有关叙述不正确的是(　　)。
A.电解过程中产生的气体体积(在标准状况下)为5.6 L
B.电解过程中转移的电子数约为3.612×1023
C.电解过程中只发生了反应:2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4
D.加入碱式碳酸铜后发生的反应是Cu2(OH)2CO3+2H2SO4══ 2CuSO4+CO2↑+3H2O
C
解析:电解后加入0.1 mol Cu2(OH)2CO3可以使电解质溶液复原,可将其看作0.1 mol 2CuO·H2O·CO2,说明电解过程中发生的反应为①2CuSO4+2H2O
2Cu+O2↑+2H2SO4和②2H2O 2H2↑+O2↑。其中反应①析出铜0.2 mol,消耗硫酸铜0.2 mol;反应②消耗水0.1 mol。反应①生成氧气0.1 mol,反应②生成H2和O2共0.15 mol,共生成气体5.6 L(标准状况下);反应①转移电子0.4 mol,反应②转移电子0.2 mol,共转移电子0.6 mol,转移的电子数约为3.612×1023。
2.以铅酸蓄电池为电源,石墨为电极电解CuSO4溶液,装置如下图。若一段时间后Y电极上有6.4 g红色物质析出,立即停止电解。下列说法正确的是(　　)。
A.a为铅酸蓄电池的负极
C
解析:Y电极上有Cu析出,说明Y电极上发生了还原反应,Y电极为阴极,故b电极为铅酸蓄电池负极,a电极为铅酸蓄电池正极,A项错误。电解过程中阴离子向阳极(X电极)移动,B项错误。阴极反应式为Cu2++2e-══Cu,阳极反应式为2H2O-4e-══O2↑+4H+,当有6.4 g Cu析出时,转移0.2 mol e-,左侧生成1.6 g O2,同时有0.1 mol (9.6 g) 进入左侧溶液,则左侧溶液质量净增加9.6 g-1.6 g=8 g,C项正确。铅酸蓄电池的负极是Pb,正极是PbO2,正极反应式为4H++ +PbO2+2e-══PbSO4+2H2O,D项错误。
3.(2023辽宁卷)某无隔膜流动海水电解法制H2的装置如下图所示,其中高选择性催化剂PRT可抑制O2产生。
下列说法正确的是(　　)。
A.b端电势高于a端电势
B.理论上转移2 mol e-生成4 g H2
C.电解后海水pH下降
D.阳极发生:Cl-+H2O-2e-══HClO+H+
D
解析:H2为还原产物,故钛箔为电解池的阴极,钛网极为阳极。阳极连接电源正极,阴极连接电源负极,故a端电势高于b端电势,A项错误;电解时,阳极反应为Cl-+H2O-2e-══HClO+H+,阴极反应为2H2O+2e-══H2↑+2OH-,总反应方程式为Cl-+H2O══ClO-+H2↑,理论上转移2 mol e-生成2 g H2,B项错误、D项正确;流动海水电解后,海水中含有NaClO,其为强碱弱酸盐,pH不会下降,C项错误。
第三环节　核心素养提升
【学科思想方法】
隔膜在电化学中的应用规律
1.常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜,由高分子特殊材料制成。离子交换膜分为三类:
(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
2.隔膜的作用
(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。
(2)能选择性地通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作用。
3.判断所选离子交换膜的依据
离子的定向移动。
4.离子交换膜的应用
【例题】 微生物脱盐电池是一种高效、经济的能源装置,利用微生物处理有机废水获得电能,同时可实现海水淡化。现以NaCl溶液模拟海水,采用惰性电极,用下图装置处理有机废水(以含CH3COO-的溶液为例)。下列说法错误的是(　　)。
A.负极反应为CH3COO-+2H2O-8e-══
2CO2↑+7H+
B.隔膜1为阳离子交换膜,隔膜2为阴离子交换膜
C.当电路中转移1 mol电子时,模拟海水理论上
除盐58.5 g
D.电池工作一段时间后,正、负极产生气体的物质的量之比为2∶1
B
【核心素养考查点剖析】本题主要考查电解原理在生活生产中的应用,考查了隔膜在电化学中的应用,考查了考生利用电化学原理解决陌生实际问题的能力,体现了试题对“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”的素养考查。有关电解池的试题,重点要弄清楚电解的原理,阴、阳极的判断和阴、阳极上电极反应式的书写,利用阳极反应式+阴极反应式=总反应式时,加的过程中需使得失电子数相等。
解析:本题考查了原电池的工作原理和电极反应式的书写。由图可知,a极变化为CH3COO-→CO2,该极的电极反应为2H2O+CH3COO--8e-══2CO2↑+7H+,a极发生氧化反应,则a极为负极,b极为正极,A项正确;由于可实现海水淡化,结合原电池原理分析,Cl-应移向a极,Na+应移向b极,故隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;当转移8 mol e-时,CH3COO-减少1 mol,同时H+增加7 mol,应有8 mol Cl-通过隔膜1,则转移1 mol电子时理论上可除去1 mol NaCl,C项正确;工作一段时间后,由于正极反应式为2H++2e-══H2↑,故正、负极生成气体的物质的量之比为2∶1,D项正确。
【典题训练】
1.(2022浙江卷改编)通过电解废旧锂电池中的LiMn2O4可获得难溶性的Li2CO3和MnO2,电解示意图如下(其中滤布的作用是阻挡固体颗粒,但离子可自由通过。电解过程中溶液的体积变化忽略不计)。下列说法不正确的是(　　)。
A.电极A为阴极,发生还原反应
B.电极B的电极反应:
2H2O+Mn2+-2e-══MnO2+4H+
C.电解一段时间后溶液中Mn2+
浓度保持不变
D.电解结束,可通过调节pH除去Mn2+,再加入Na2CO3溶液以获得Li2CO3
C
解析:电极B上,Mn2+失去电子,Mn元素的化合价升高,则B极为阳极,A极为阴极,A、B项正确;电极A的电极反应为LiMn2O4+8H++3e-══Li++2Mn2++4H2O,结合电极B的电极反应可知总反应的离子方程式为2LiMn2O4+4H+ 2Li++Mn2++3MnO2+2H2O,Mn2+有剩余,故溶液中Mn2+浓度增大,C项错误;电解结束后,溶液中的阳离子为Li+和Mn2+,调节pH可使Mn2+生成沉淀除去,由于Li2CO3为难溶物,溶液中的Li+可加入Na2CO3溶液制取Li2CO3,D项正确。
2.(2023湖北卷)我国科学家设计如图所示的电解池,实现了海水直接制备氢气技术的绿色化。该装置工作时阳极无Cl2生成且KOH溶液的浓度不变,电解生成氢气的速率为x mol·h-1。下列说法错误的是(　　)。
A.b电极反应式为2H2O+2e-══H2↑+2OH-
B.离子交换膜为阴离子交换膜
C.电解时海水中动能高的水分子可穿过PTFE膜
D.海水为电解池补水的速率为2x mol·h-1
D
解析:该装置工作时,b电极连接电源负极,为阴极,电极上放出H2: 2H2O+2e-══H2↑+2OH-,A项正确;阳极无Cl2生成且KOH溶液浓度不变,则本质上是电解水,阳极生成O2,则OH-移向a极,离子交换膜为阴离子交换膜, B项正确;电解时KOH溶液浓度不变,PTFE膜不透液态水,则通过PTFE膜的水应为动能高的水分子(透汽),C项正确;电解生成H2的速率为x mol·h-1,电解的总反应为2H2O 2H2↑+O2↑,故海水为电解池补水的速率为x mol·h-1, D项错误。
3.(2021全国甲)乙醛酸是一种重要的化工中间体,可采用如下图所示的电化学装置合成。图中的双极膜中间层中的H2O解离为H+和OH-,并在直流电场作用下分别向两极迁移。下列说法正确的是(　　)。
A.KBr在上述电化学合成过程中只起电解质的作用
B.阳极上的反应式为:
C.制得2 mol乙醛酸,理论上外电路中迁移了1 mol电子
D.双极膜中间层中的H+在外电场作用下向铅电极方向迁移
D
4.CO2的资源化利用能有效减少CO2排
放,充分利用碳资源。
电解法转化CO2可实现CO2资源化利用。
电解CO2制HCOOH的原理示意图如下。
(1)写出阴极CO2被还原为HCOO-的电
极反应式:　　　　　　　　　　　　　。
(2)电解一段时间后,阳极区的KHCO3溶液浓度降低,其原因是　　　　　　　　　　　　　　　。
【新情境模拟训练】
电渗析法处理厨房垃圾发酵液,同时得到乳酸的原理如图所示(图中“HA”表示乳酸分子,乳酸的摩尔质量为90 g·mol-1; “A-”表示乳酸根离子)。
则下列说法不正确的是(　　)。
A.交换膜Ⅰ为只允许阳离子透过的阳离子交换膜
B.阳极的电极反应式为2H2O-4e-══O2↑+4H+
C.电解过程中采取一定的措施可控制阴极室的pH约为6~8,此时进入浓缩室的OH-可忽略不计。设200 mL 20 g·L-1乳酸溶液通电一段时间后阴极上产生的H2在标准状况下的体积约为6.72 L,则该溶液浓度上升为155 g·L-1 (溶液体积变化忽略不计)
D.浓缩室内溶液经过电解后pH降低
C
解析:根据图示,该电解池左侧电极为阳极,右侧电极为阴极,阳极上是水电离出的氢氧根离子放电,阳极周围氢离子浓度增大,且氢离子从阳极通过交换膜Ⅰ进入浓缩室,则交换膜Ⅰ为只允许阳离子透过的阳离子交换膜,A项正确。根据A项分析,阳极的电极反应式为2H2O-4e-══O2↑+4H+,B项正确。阴极上发生电极反应:2H++2e-══H2↑,根据电极反应式,则有2HA~2H+~H2,通电一段时间后阴极上产生的H2在标准状况下的体积约为
根据电解原理,H+从阳极通过阳离子交换膜进入浓缩室,A-通过阴离子交换膜(交换膜Ⅱ)从阴极进入浓缩室,浓缩室中发生反应H++A-══HA,浓缩室中乳酸浓度增大,浓缩室中溶液酸性增强,pH降低,D项正确。
实验探源
【必备知识归纳】
简单的电镀实验
【实验目的】
(1)认识电解原理及其在工业生产中的应用。
(2)了解电镀的原理。
【实验用品】
烧杯、砂纸、导线、2~3 V的直流电源、电流表。
铁制镀件、铜片、电镀液(以CuSO4溶液为主配制)、1 mol·L-1 NaOH溶液、20%盐酸。
【实验方案设计及实施】
请按下列表格要求设计实验方案,进行实验,观察并记录实验现象。
设计思路及依据 实验步骤 实验装置 实验
现象
确定 阴极 阴极材料:Fe (1)用砂纸把铁制镀件打磨干净,放入1 mol·L-1 NaOH 溶液中除去油污,然后用蒸馏水洗净。再放入20%盐酸中除锈,几分钟后取出,并用蒸馏水洗净。 (2)把铁制镀件与2~3 V的直流电源的负极相连,铜片与直流电源的正极相连。将两极平行浸入电镀液中,两极间距5 cm,5~10 min后取出,观察镀件表面发生的变化。 在铁制镀件上镀了一层红色的铜
阴极产物:Cu 确定 阳极 阳极材料:Cu 阳极产物: Cu2+ 【易错细节筛查】
(1)电镀池的组成:镀层金属作阳极,镀件作阴极,含镀层金属阳离子溶液作电解质溶液。
(2)也可以用惰性电极作阳极。
(3)电镀原理也是电解原理。
【实验能力形成】
1.在铁制品上镀一定厚度的锌层,以下方案设计合理的是(　　)。
A.锌作阳极,铁制品作阴极,溶液中含有锌离子
B.铂作阴极,铁制品作阳极,溶液中含有锌离子
C.铁作阳极,铁制品作阴极,溶液中含有亚铁离子
D.锌作阴极,铁制品作阳极,溶液中含有锌离子
A
解析:在铁制品上镀锌,锌作阳极,镀件铁制品作阴极,含有镀层金属阳离子(Zn2+)的溶液作电镀液。
2.利用如图所示装置可以在铜制品表面电镀一层银。下列有关说法中正确的是(　　)。
A.通电后,Ag+向阳极移动
B.银片与电源负极相连
C.该电解池的阴极反应可
表示为Ag++e-══Ag
D.当电镀一段时间后,将电源反接,铜制品可恢复如初
C
解析:铜制品上镀银,银为阳极,Ag+向阴极移动,阴极反应为Ag++e-══Ag。将电源反接,铜制品表面的Ag镀层放电而使镀层破损后,内部的Cu比Ag活泼,也会溶解,故阳极上Cu、Ag均能溶解,铜制品不可能恢复如初。

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