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第37讲　电解池　金属的腐蚀与防护
1.理解电解池的构成和工作原理,能书写电极反应和总反应。2.掌握氯碱工业、电解精炼、电镀、电冶金等的反应原理。3.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。
考点一　电解原理
1.电解与电解池
2.构建电解池模型(以电解CuCl2溶液为例)
3.电解中的放电规律
4.惰性电极电解各类电解质溶液的变化分析
(1)电解水型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
H2SO4 阴极:2H++2e-===H2↑; 阳极:2H2O-4e-===4H++O2↑; 总反应式:2H2O2H2↑+O2↑ 增大 加水
(2)电解电解质型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
HCl 阴极:2H++2e-===H2↑; 阳极:2Cl--2e-===Cl2↑; 总反应式:2HClH2↑+Cl2↑ 减小 通入HCl
CuCl2 阴极:Cu2++2e-===Cu; 阳极:2Cl--2e-===Cl2↑; 总反应式:CuCl2Cu+Cl2↑ 加CuCl2固体
(3)电解质和水均参与电解型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
NaCl、KCl(放H2 生碱) 阳极:2Cl--2e-===Cl2↑; 阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-; 总反应式:2Cl-+2H2OCl2↑+H2↑+2OH- 减小并生成新电解质 通入HCl
CuSO4、 Cu(NO3)2 (放O2 生酸) 阳极:2H2O-4e-===4H++O2↑; 阴极:Cu2++2e-===Cu; 总反应式:2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+ 减小并生成新电解质 加CuO
若用惰性电极电解3 mol·L-1 NaCl和1 mol·L-1 CuSO4的混合溶液,可看作三个电解阶段。
(1)第一阶段:相当于电解1 mol·L-1 CuCl2溶液,电解总反应:CuCl2Cu+Cl2↑。
(2)第二阶段:相当于电解1 mol·L-1 NaCl溶液,电解总反应:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
(3)第三阶段:相当于电解水,电解总反应:2H2OO2↑+2H2↑。
1.实验装置如图所示。接通电源后,用碳棒(a'、b')作笔,在浸有饱和NaCl溶液和石蕊溶液的湿润试纸上同时写字,a'端的字迹呈白色。下列结论正确的是(　B　)
A.a为负极
B.b'端的字迹呈蓝色
C.电子流向为b→b'→a'→a
D.如果将a'、b'换成铜棒,与碳棒作为电极时的现象相同
解析:a'端的字迹呈白色,说明a'端生成了氯气,氯离子失去电子,为阳极,故a为正极,A错误;b'端为阴极,水放电生成氢气和氢氧根离子,石蕊变蓝,B正确;电子沿导线由b流向b',由a'流向a,但电子不能在电解质溶液中移动,不会由b'流向a',C错误;如果换成铜棒,a所连一侧的铜棒作为阳极,铜放电生成Cu2+,现象与碳棒a'作为电极时不相同,D错误。
2.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列叙述正确的是(　D　)
A.逸出气体的体积:A电极B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出有刺激性气味气体
C.滴入石蕊溶液后,A电极附近呈红色,B电极附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
解析:用惰性电极电解Na2SO4溶液,A电极为阴极,B电极为阳极。S、OH-移向B电极,在B电极H2O电离出的OH-放电,产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),滴入石蕊溶液后变红,Na+、H+移向A电极,在A电极H2O电离出的H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),滴入石蕊溶液后变蓝,产生H2和O2的体积之比约为2︰1,A、B、C项错误,D项正确。
3.用如图所示装置(X、Y是直流电源的两极)分别进行下列各组实验,表中各项所列对应关系均正确的是(　C　)
选项 X极 实验前U形 管中的溶液 通电后现象及结论
A 正极 饱和KNO3溶液 只有a极有气体逸出,溶液底部有晶体析出
B 正极 AgNO3溶液 b处电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O
C 负极 CuCl2溶液 b处有气体逸出
D 负极 NaOH溶液 溶液pH减小
解析:电解饱和KNO3溶液,实质是电解水,a、b两极均有气体逸出,且有KNO3晶体析出,A项错误;电解AgNO3溶液时,阴极上Ag+得电子,发生还原反应,即b处电极反应为Ag++e-===Ag,B项错误;电解CuCl2溶液时,阳极上Cl-失电子,发生氧化反应,即b处Cl-放电,产生Cl2,C项正确;电解NaOH溶液时,阴极上是水电离的H+放电,阳极上是OH-放电,实际上电解的是水,导致NaOH溶液中溶质的浓度增大,碱性增强,pH增大,D项错误。
考点二　电解原理的应用
1.氯碱工业
习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。
(1)反应原理
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)。
阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-(还原反应)。
总反应的化学方程式:2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑。
总反应的离子方程式:2Cl-+2H2O2OH-+H2↑+Cl2↑。
(2)离子交换膜法的生产过程
加入或流出的物质a、b、c、d分别是精制饱和NaCl溶液、H2O(含少量NaOH)、淡盐水、NaOH溶液;X、Y分别是Cl2、H2。氯碱工业产品还可用于制备含氯消毒剂和盐酸。
阳离子交换膜的作用是阻止OH-进入阳极室与Cl2发生副反应:2NaOH+Cl2===NaCl+NaClO+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
2.电镀
(1)概念:利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。
(2)目的:增强金属的抗腐蚀能力,增加表面硬度和美观。
3.电解精炼
电解含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质的粗铜精炼铜时,阳极泥的主要金属单质是什么 为什么
Ag、Au。因为Ag、Au不如铜活泼,不能放电形成离子进入溶液中。
4.电冶金
利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
冶炼钠 2NaCl(熔融)2Na+Cl2↑ 阳极:2Cl--2e-===Cl2↑; 阴极:Na++e-===Na
冶炼镁 MgCl2(熔融)Mg+Cl2↑ 阳极:2Cl--2e-===Cl2↑; 阴极:Mg2++2e-===Mg
冶炼铝 2Al2O3(熔融)4Al+3O2↑ 阳极:2O2--4e-===O2↑; 阴极:Al3++3e-===Al
工业生产镁、铝均采用电解法,制取Mg时电解熔融的MgCl2而不是MgO,而制取Al时电解熔融的Al2O3,而不是AlCl3,这是为什么
MgCl2、MgO都是离子化合物,在熔融状态时都能导电,但MgO的熔点太高,熔融需要耗费大量能源;Al2O3是离子化合物,AlCl3是共价化合物,在熔融状态下Al2O3导电,AlCl3不导电,故制取铝时电解熔融的Al2O3(电解时加入冰晶石降低氧化铝的熔点)。
1.(2023·浙江6月选考)氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗。下列说法不正确的是(　B　)
A.电极A接电源正极,发生氧化反应
B.电极B的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-
C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高的NaOH溶液
D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
解析:电极A上氯离子变为氯气,氯元素化合价升高,因此电极A是电解池阳极,接电源正极,发生氧化反应,故A正确;电极B为阴极,通入氧气,氧气得到电子,电极反应式为2H2O+4e-+O2===4OH-,故B错误;右室生成氢氧根离子,应选用阳离子交换膜,使左室的钠离子进入右室,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,故C正确;改进设计中在电极B处通入O2,提高了电极B上反应物的氧化性,从而降低电解电压,减少能耗,故D正确。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述正确的是(已知氧化性:Fe2+A.阳极发生还原反应,电极反应为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极质量的减小量与阴极质量的增加量相等
C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt
解析:电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A项错误;因氧化性:Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极的电极反应为Ni2++2e-===Ni,阳极质量减小是因为Zn、Fe、Ni溶解,而阴极质量增加是因为Ni析出,二者质量不相等,B项错误;电解后溶液中存在的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C项错误。
3.(2025·安徽蚌埠模拟)利用如图装置进行“铁件镀铜”实验,观察到阴极表面产生无色气体,一段时间后,气体减少,表面有红色固体,经检验,电解液中有Fe2+。下列分析或说法不正确的是(　C　)
A.阴极表面产生气体的反应可能为2H++2e-===H2↑
B.Cu覆盖在Fe电极表面,导致气体减少
C.电镀完成后,阳极减小的质量等于阴极增加的质量
D.向电解后的溶液中滴加KSCN溶液,不会变成红色
解析:由题干图示信息可知,Cu作阳极,电极反应为Cu-2e-===Cu2+,Fe作阴极,电极反应为Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,经检验,电解液中有Fe2+,说明阴极上有Cu析出,可与Fe形成局部原电池反应,正极反应为2H++2e-===H2↑,负极反应为Fe-2e-===Fe2+,则Cu覆盖在Fe表面越多,该电池反应越弱,据此分析解题。由分析可知,阴极表面产生气体的反应可能为2H++2e-===H2↑,A正确;由题干信息可知,一段时间后,气体减少,表面有红色固体,即Cu覆盖在Fe电极表面,导致气体减少,B正确;由分析可知,阳极电极反应为Cu-2e-===Cu2+,阴极电极反应为Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,根据得失电子守恒可知,电镀完成后,阳极减小的质量大于阴极增加的质量,C错误;由题干信息可知,电解液中有Fe2+,故向电解后的溶液中滴加KSCN溶液,不会变成红色,D正确。
4.研究发现,可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质,利用图示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法正确的是(　B　)
A.将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液也可以达到相同目的
B.阳极的电极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量减少
D.阴极的电极反应式为Ca-2e-===Ca2+
解析:由题图可知,石墨为阳极,其电极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑,钛网是阴极,其电极反应式为Ca2++2e-===Ca。将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液,阴极上H+放电,无法得到金属Ca;钙还原二氧化钛的化学方程式为2Ca+TiO2===Ti+2CaO,制备金属钛前后,CaO的总量不变。
电有机合成
【考题】　(2025·陕晋宁青卷)我国科研人员采用图示的电解池,由百里酚(TY)合成了百里醌(TQ)。电极b表面的主要反应历程见图(灰球表示电极表面催化剂),下列说法错误的是(　　) A.电解时,H+从右室向左室移动 B.电解总反应:TY+H2OTQ+2H2↑ C.以为原料,也可得到TQ D.用18O标记电解液中的水,可得到 (1)根据两极上的物质转化判断阴阳极,分析H+的移动方向。 (2)根据电解原理和题意写出电解反应的化学方程式。 (3)结合反应历程中断键、成键的位置分析的氧化产物以及O中的18O存在哪种产物中。 【答案】　D
【教材】　(人教版选择性必修1 P109·资料卡片) 电有机合成 许多有机化学反应包含电子的转移,使这些反应在电解池中进行时称为电有机合成。例如,制造尼龙-66的原料己二腈[NC(CH2)4CN]用量很大,传统上以乙炔和甲醛为原料经过很长路线才能合成己二腈。如改用电合成法,则先以丙烯为原料制备丙烯腈(CH2==CHCN),再用丙烯腈电合成己二腈。电合成己二腈的反应如下。 阳极:H2O-2e-===O2↑+2H+ 阴极:2CH2==CHCN+2H++2e-===NC(CH2)4CN 总反应: 2CH2==CHCN+H2ONC(CH2)4CN+O2↑ 与其他有机合成相比,电有机合成具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点。 (1)有机物中“氢”为+1价,“氧”为-2价,依据化合物中各元素化合价代数和为零的原则确定有机物中碳元素的化合价,然后根据反应前后碳元素化合价的变化及碳原子数目确定电极反应式中得失电子的数目。 (2)写电极反应式时注意电解池中各室电解装置所处的环境条件,即酸性条件下不出现OH-,碱性条件下不出现H+。 (3)电解池装置中,各电极上转移的电子数是相等的。
1.(2026·湖北重点高中协作体联考)烯烃与惰性电极上产生的活性物质反应可以得到醛。利用如图电化学装置可以将乙烯转化为丙醛。
下列说法错误的是(　D　)
A.a极为电源正极
B.离子交换膜只允许H+通过
C.阴极电极反应可能有2H++2e-===H2↑、CO2+2e-+2H+===H2O+CO
D.过程中乙烯发生还原反应
解析:由图可知,b极所连电极板上是H+得电子产生H2,CO2得电子生成CO,所以b极所连电极板为电解池的阴极,b极为电源负极,A正确;H+在b极所连电极板上放电,水电离的OH-在a极所连电极板上放电,只有允许H+不断通过离子交换膜才能形成闭合回路,B正确;阴极得电子的为H+和CO2,电极反应为2H++2e-===H2↑、CO2+2e-+2H+===H2O+CO,C正确;C2H4转化为CH3CH2CHO(C3H6O),利用平均化合价法可判断反应后碳元素化合价升高,乙烯发生氧化反应,D错误。
2.(2025·河北保定一模)有机物参加的反应在日常生活和科学研究中扮演着重要的角色,不仅可以用于有机合成,还可以用于多种材料的改性和功能化设计。某科研小组以硝基苯为原料电催化合成的装置如图所示,M电极和N电极为覆盖催化剂的惰性电极,装置工作时定时将N电极室溶液转移至M电极室。下列说法正确的是(　B　)
A.装置工作时,OH-通过离子交换膜移向N极
B.阳极反应:2-4e-+4OH-===+4H2O
C.装置工作时,阴离子交换膜两侧溶液的pH保持不变
D.转移相同电子,M电极消耗的和N电极产生的相等
解析:由图可知, 在N极发生还原反应生成,N极为阴极,M极为阳极,装置工作时,OH-通过离子交换膜移向M极,A错误; 在阳极失去电子生成,根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应式为2-4e-+4OH-===+4H2O,B正确;阴极电极反应式为+6e-+4H2O===+6OH-,当转移4 mol电子时,阴离子交换膜右侧有4 mol OH-进入左侧,同时左侧消耗4 mol OH-,两侧OH-物质的量不变,但左侧生成了水,OH-浓度减小,pH减小,右侧消耗水,OH-浓度增大,pH增大,C错误;转移相同电子,M电极消耗的大于N电极产生的,D错误。
3.(2025·河南郑州三模)工业上用电解法实现间硝基甲苯合成间氨基苯甲酸,其生产原理如图所示。下列说法错误的是(　D　)
A.M电极的电势比N电极高
B.间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸,发生了还原反应
C.间硝基甲苯反应的离子方程式为
+Cr2+8H+→+2Cr3++5H2O
D.理论上电路中每转移5 mol电子恰好生成1 mol间氨基苯甲酸
解析:由图可知,M电极上Cr3+转化为Cr2,Cr元素化合价升高,发生氧化反应,M为阳极,N电极上Ti4+转化为Ti3+,Ti元素化合价降低,发生还原反应,N为阴极,在电解池中,阳极电势比阴极电势高,所以M电极的电势比N电极高,A正确;间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸时,—NO2转化为—NH2,N元素化合价降低,得到电子,发生了还原反应,B正确;间硝基甲苯与Cr2在酸性条件下反应生成间硝基苯甲酸、Cr3+和H2O,根据得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒,可知离子方程式为+Cr2+8H+→+2Cr3++5H2O,C正确;间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸时,—NO2(N为+4价)转化为—NH2(N为-2价),1个—NO2转化为1个—NH2得到6个电子,所以理论上电路中每转移6 mol电子恰好生成1 mol间氨基苯甲酸,D错误。
考点三　金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,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 金属与接触到的干燥气体或非电解质液体直接发生化学反应 不纯的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 较活泼的金属被腐蚀
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 水膜酸性很 弱或呈中性
电极 反应 负极 Fe-2e-===Fe2+
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
判断正误。
(1)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。(　×　)
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。(　×　)
(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。(　×　)
3.金属腐蚀快慢的规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢: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,腐蚀的快慢: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)活动性不同的两种金属,活动性差异越大,活动性强的金属被腐蚀得越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序是⑤④②①③⑥(填序号)。
4.金属的防护
1.(2024·湖北卷)2024年5月8日,我国第三艘航空母舰福建舰顺利完成首次海试。舰体表面需要采取有效的防锈措施,下列防锈措施中不形成表面钝化膜的是(　D　)
A.发蓝处理 B.阳极氧化
C.表面渗镀 D.喷涂油漆
2.(2024·广东卷)我国自主设计建造的浮式生产储卸油装置“海葵一号”将在珠江口盆地海域使用,其钢铁外壳镶嵌了锌块,以利用电化学原理延缓外壳的腐蚀。下列有关说法正确的是(　D　)
A.钢铁外壳为负极
B.镶嵌的锌块可永久使用
C.该法为外加电流法
D.锌发生反应:Zn-2e-===Zn2+
解析:金属活动性:Zn>Fe,钢铁外壳为正极,锌块为负极,故A错误;Zn失去电子,发生还原反应:Zn-2e-===Zn2+,镶嵌的锌块会被逐渐消耗,需根据腐蚀情况进行维护和更换,不能永久使用,故B错误;该方法为牺牲阳极法,故C错误;Zn失去电子,发生氧化反应:Zn-2e-===Zn2+,故D正确。
3.(2025·山东聊城二模)恒温条件下,用图1所示装置研究铁的电化学腐蚀,测定结果如图2。
下列说法正确的是(　D　)
A.AB段pH越大,析氢速率越大
B.其他条件不变,增大空气中氧气浓度,析出H2质量减小
C.BC段正极反应式主要为O2+2H2O+4e-===4OH-
D.DE段溶液pH基本不变,可能的原因:相同时间内,2Fe+O2+4H+===2Fe2++2H2O消耗H+的量与4Fe2++O2+10H2O===4Fe(OH)3+8H+产生H+的量基本相同
解析:图1中构成原电池,铁作负极,开始时pH较小,AB段溶液pH增大,体系压强增大,铁主要发生析氢腐蚀;BD段溶液的pH增大,体系压强减小,正极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;DE段溶液pH基本不变,但压强减小,可能的原因是相同时间内,2Fe+O2+4H+===2Fe2++2H2O消耗H+的量与4Fe2++O2+10H2O===4Fe(OH)3+8H+产生H+的量基本相同。AB段铁主要发生析氢腐蚀,负极Fe-2e-===Fe2+,正极2H++2e-===H2↑,pH越大,析氢速率越小,A错误;AB段铁主要发生析氢腐蚀,负极Fe-2e-===Fe2+,正极2H++2e-===H2↑,析出H2质量与氧气浓度无关,B错误;由题图2可知BC段的pH约为3~5,正极不能产生OH-,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O,C错误;由分析可知,D正确。
1.(2025·全国卷)下列关于铁腐蚀与防护的反应式正确的是(　A　)
A.酸性环境中铁发生析氢腐蚀的负极反应:Fe-2e-===Fe2+
B.铁发生腐蚀生锈的反应:3Fe+2O2+xH2O===Fe3O4·xH2O
C.铁经过发蓝处理形成致密的氧化膜:Fe+2HNO3(浓) ===FeO+2NO2↑+H2O
D.安装锌块保护船舶外壳,铁电极上发生的反应:Fe3++3e-===Fe
解析:酸性环境中铁发生析氢腐蚀,负极是Fe,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,故A正确;铁腐蚀生锈的产物应为Fe2O3·xH2O,故B错误;发蓝处理形成的是Fe3O4,故C错误;安装锌块保护船舶外壳,属于牺牲阳极法,铁电极上可能是O2得电子发生还原反应,非Fe3+被还原,故D错误。
2.(2024·浙江1月选考)破损的镀锌铁皮在氨水中发生电化学腐蚀,生成[Zn(NH3)4]2+和H2,下列说法不正确的是(　C　)
A.氨水浓度越大,腐蚀趋势越大
B.随着腐蚀的进行,溶液的pH变大
C.铁电极上发生的电极反应式为2NH3+2e-===H2↑+2N
D.每生成标准状况下224 mL H2,消耗0.010 mol Zn
解析:氨水浓度越大,越容易生成[Zn(NH3)4]2+,腐蚀趋势越大,A正确;腐蚀的总反应为Zn+4NH3·H2O=== [Zn(NH3)4]2++H2↑+2H2O+2OH-,有OH-生成,溶液pH变大,B正确;该电化学腐蚀中Zn作负极,Fe作正极,正极上水电离出来的氢离子得电子生成氢气,铁电极上的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,C错误;根据得失电子守恒,每生成标准状况下224 mL H2,转移电子的物质的量为=0.02 mol,消耗0.010 mol Zn,D正确。
3.(2024·甘肃卷)某固体电解池工作原理如图所示,下列说法错误的是(　B　)
A.电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接触面积
B.电极2是阴极,发生还原反应: O2+4e-===2O2-
C.工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2
D.理论上电源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
解析:多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g),多孔电极1为阴极,电极反应式为H2O+2e-===H2↑+O2-;多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g),多孔电极2为阳极,电极反应式为2O2--4e-===O2↑。电极1的多孔结构能增大电极的比表面积,增大与水蒸气的接触面积,A项正确;由分析知,B项错误;工作时,阴离子(O2-)向阳极移动,即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2,C项正确;电解总反应式为2H2O(g) 2H2+O2,分解2 mol H2O转移4 mol电子,则理论上电源提供2 mol电子能分解1 mol H2O,D项正确。
4.(2025·湖南卷)一种电化学处理硝酸盐产氨的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　B　)
A.电解过程中,K+向左室迁移
B.电解过程中,左室中N的浓度持续下降
C.用湿润的蓝色石蕊试纸置于b处,试纸先变红后褪色
D.N完全转化为NH3的电解总反应:N+8Cl-+6H2ONH3↑+9OH-+4Cl2↑
解析:由题图可知,左侧发生N→NH3,N元素化合价下降,则左侧是阴极区,右侧发生Cl-→Cl2,Cl元素化合价上升,则右侧是阳极区,据此解答。电解池中,阳离子向阴极移动,则K+向左室迁移,A正确;电解过程中,N先生成,再消耗,是中间产物,其浓度增大还是减小,取决于生成速率与消耗速率,无法得出其浓度持续下降的结论,B错误;b处生成氯气,与水反应生成盐酸和次氯酸,盐酸能使蓝色石蕊试纸变红,次氯酸能使变红的试纸褪色,故能看到试纸先变红后褪色,C正确;左侧阴极反应是N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-,右侧阳极反应是2Cl--2e-===Cl2↑,将两电极反应相加即可得到总反应,D正确。
5.(2025·全国卷)某研究小组设计如下电解池,既可将中性废水中的硝酸盐转化为氨,又可将废塑料(PET)碱性水解液中的乙二醇转化为羟基乙酸盐,实现变废为宝。
电解时,下列说法错误的是(　D　)
A.阳极区pH下降
B.OH-从阴极区向阳极区迁移
C.阴极发生反应N+7H2O+8e-===NH3·H2O+9OH-
D.阴极转化1 molN,阳极将生成4 mol HOCH2COO-
解析:根据题图,电解时,左侧电极连接电源负极,为阴极区,发生还原反应,电极反应式为N+7H2O+8e-===NH3·H2O+9OH-;右侧电极连接电源正极,为阳极区,发生氧化反应,电极反应式为HOCH2CH2OH-4e-+5OH-===HOCH2COO-+4H2O。根据分析,阳极区消耗了OH-,pH下降,A正确;阴极区生成了OH-,阳极区消耗了OH-,按照离子移动方向,OH-从阴极区通过阴离子交换膜向阳极区迁移,B正确;根据分析,C正确;阴极转化1 mol N,转移8 mol e-,此时阳极将生成2 mol HOCH2COO-,D错误。
课时作业37(总分:60分)
1.(3分)(2025·河南安阳模拟)“伏鸟双尾青铜虎”是“江西博物馆十大镇馆之宝”之一。下列叙述错误的是(　C　)
A.青铜是铜锡合金材料
B.表面铜绿的主要成分是Cu2(OH)2CO3
C.青铜在碱性潮湿土壤中易发生析氢腐蚀
D.可采用蜡封法保存“伏鸟双尾青铜虎”
2.(3分)(2025·河北邢台模拟)汞阴极法电解饱和食盐水制取NaOH的原理如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A.电解室中可使用铜棒作阳极
B.电解室中汞阴极发生的反应为Na++e-===Na
C.解汞室中的反应为吸热反应
D.两室联合生产的总反应为2NaCl2Na+Cl2↑
解析:由原理图可知,电解室内阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,阴极反应为Na++e-===Na;解汞室内发生的反应为2Na+2H2O===2NaOH+H2↑。电解室中若使用铜棒作阳极,则发生反应Cu-2e-===Cu2+,因此不可使用铜棒作阳极,A错误;根据分析,电解室中汞阴极发生的反应为Na++e-===Na,B正确;解汞室中钠与水的反应为放热反应,C错误;根据分析,电解室内总反应为2NaCl2Na+Cl2↑,D错误。
3.(3分)(2025·河南郑州二模)某大学一课题组创建光电共轭聚合物网络用于太阳能驱动硝酸盐转化产氨和氧气。模拟装置如图所示。下列叙述正确的是(　B　)
A.上述装置可实现太阳能全部转化成化学能
B.M极反应式为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-
C.装置工作一段时间后,N极区溶液pH升高
D.同温同压下,生成a L NH3时理论上逸出0.5a L O2
解析:M电极上N发生还原反应生成NH3,M极为阴极;N极为阳极,OH-在N极失电子发生氧化反应生成O2。太阳能转化为化学能时,有部分能量转化为热能,A错误;M极上N得电子发生还原反应生成氨气,电极反应式为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-,B正确;OH-在N极失电子发生氧化反应生成O2,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,故N极区溶液pH降低,C错误;根据得失电子守恒,n(NH3)×8=n(O2)×4,同温同压下,气体体积之比等于其物质的量之比,生成a L NH3时理论上逸出O2体积为2a L,D错误。
4.(3分)(2025·浙江舟山模拟)表面皿中都装有混合了饱和食盐水、酚酞和铁氰化钾溶液的琼脂,分别将缠有铜丝的铁钉(图A)和缠有锌皮的铁钉(图B)放置其中,如图所示。下列说法不正确的是(　B　)
A.图B中铁钉受锌皮保护,为牺牲阳极法
B.图B中铁钉上的电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
C.离子在半凝固态的琼脂内可定向移动
D.图A中,会出现蓝、红、蓝三个色块
解析:图A中,根据题中条件可知,形成原电池,其中铁为负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,铜为正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-;图B中,根据题中条件可知,形成原电池,其中锌作负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,铁作正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,据此作答。图B中铁为正极,锌为负极,为牺牲阳极法,故A正确;根据分析可知,图B中铁作正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,故B错误;该装置形成原电池,所以离子在半凝固态的琼脂内可定向移动,故C正确;根据以上分析可知,图A中,铁作负极,发生氧化反应,其电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]反应产生蓝色沉淀,铜作正极,其电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,生成氢氧根离子,所以铜电极附近变红,由于铜裹在铁的中段,所以琼脂中会出现蓝、红、蓝三个色块,故D正确。
5.(3分)某电化学装置如图所示,a、b分别接直流电源两极。下列说法正确的是(　D　)
A.电解质溶液中电子从B极移向A极
B.若B为粗铜,A为精铜,则溶液中c(Cu2+)保持不变
C.若A、B均为石墨电极,则通电一段时间后,溶液的pH增大
D.若B为粗铜,A为精铜,则A、B两极转移的电子数相等
解析:电解质溶液通过离子定向移动导电,电解质溶液中没有电子移动,故A错误;若B为粗铜,A为精铜,电解质溶液是硫酸铜溶液,则该装置为电解精炼铜装置,溶液中c(Cu2+)减小,故B错误;若A、B均为石墨电极,则电解总反应的化学方程式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4,通电一段时间后,溶液的pH减小,故C错误。
6.(3分)(2025·安徽合肥模拟)磷酸铁(FePO4)主要用于制造磷酸铁锂电池材料。工业上可以用电解磷铁渣(主要含FeP等)的方法制备FePO4,装置如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A.溶液中H+穿过质子交换膜向磷铁渣电极移动
B.电解结束一段时间后,NaOH浓度不变
C.阳极的电极反应:FeP+4H2O+8e-===FePO4+8H+
D.每生成1 mol FePO4,石墨电极产生2 mol O2
解析:由题图可知,磷铁渣电极与电源正极相连,是阳极,石墨电极与电源负极相连,为阴极,据此作答。由题干图示信息可知,磷铁渣与电源正极相连,故溶液中H+穿过质子交换膜向石墨电极移动,A错误;由分析可知,石墨电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,但每生成2 mol OH-的同时有2 mol H+通过质子交换膜进入阴极区,故电解结束一段时间后,NaOH浓度不变,B正确;已知阳极发生氧化反应,故阳极的电极反应式为FeP+4H2O-8e-===FePO4+8H+,C错误;由B项分析可知,石墨电极上生成H2,而不产生O2,每生成1 mol FePO4,石墨电极产生4 mol H2,D错误。
7.(3分)(2025·河南开封三模)摄取一定量的溴酸盐会使人出现恶心、腹泻等症状。某科研团队设计在RuCu/CNT上电催化处理Br的原理如图所示。下列说法正确的是(　B　)
A.电子流向:M→P→电解质溶液→R→N
B.P电极上的电极反应式为Br+6e-+6H+===Br-+3H2O
C.若电源为铅酸蓄电池,则N极为Pb电极
D.每处理1 mol Br,理论上阳极区溶液质量减小48 g
解析:由题图可知,P电极上,Br得到电子,被还原为Br-,发生还原反应,为阴极,则R电极为阳极,外接电源M极为负极,N极为正极,阳极上水失去电子,被氧化为氧气,据此分析作答。由分析可知,P为阴极,R为阳极,M为负极,N为正极,电子不能经过电解质溶液,故电子流向:M→P,R→N,A错误;由分析可知,P为阴极,P电极上发生还原反应,该电极的电极反应式为Br+6e-+6H+===Br-+3H2O,B正确;由分析可知,N为正极,若电源为铅酸蓄电池,则N极为PbO2电极,C错误;由B项分析可知,每处理1 mol Br,电路上转移电子为6 mol,则理论上阳极区释放出1.5 mol O2,同时有6 mol H+经过质子交换膜由阳极区进入阴极区,故溶液质量减小1.5 mol×32 g/mol+6 mol×1 g/mol=54 g,D错误。
8.(3分)(2025·辽宁抚顺二模)利用有机电化学合成1,2-二氯乙烷的装置如图所示。若该装置工作时中间室NaCl溶液中溶质的浓度通过调整保持不变,电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,下列说法错误的是(　B　)
A.电源中电势比较:b>a
B.离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜,离子交换膜Ⅱ为阳离子交换膜
C.合成室内发生的反应为CH2==CH2+2CuCl2→CH2ClCH2Cl+2CuCl
D.中间室补充NaCl的速率为2x mol·h-1
解析:由题图可知,右侧电极N上Cu的化合价由+1价升高为+2价,发生氧化反应,则电极N为阳极,电极b为正极,所以电极M为阴极,电极a为负极,据此分析作答。根据上述分析可知,a为电源的负极,b为正极,故电源中电势比较:b>a,A正确;由题图可知,中间室内的氯离子通过离子交换膜Ⅱ进入右室,最终和CuCl反应生成CuCl2,左室H+得到电子生成H2,OH-浓度增大,与中间室移动过来的Na+结合生成NaOH,所以离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜,B错误;根据原子守恒可知,合成室内发生的反应为CH2==CH2+2CuCl2→CH2ClCH2Cl+2CuCl,C正确;电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,根据阴极反应:2H++2e-===H2↑,结合电荷守恒可知,中间室移动过来的Na+的速率为2x mol·h-1,故中间室补充NaCl的速率为2x mol·h-1,D正确。
9.(3分)(2025·安徽安庆二模)一种采用新型双极膜电解硝酸盐制备NH3的方法,可以提高NH3的法拉第效率FE。工作时H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-并向两极移动,阴极副产物有N2H4。该装置工作原理如图所示,下列说法正确的是(　D　)
A.电势:c>d
B.装置工作时,阴极区的N穿透双极膜进入阳极区
C.阴极反应式为N+8e-+9H+===NH3·H2O+2H2O
D.当阳极产生22.4 L气体(标准状况)时,阴极产生0.47 mol NH3,则FE(NH3)=94%
解析:电极c发生的是N转化为NH3和N2H4的过程,因此c为阴极,d为阳极;阴极主要反应为N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-;阳极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O。阳极电势高于阴极,因此电势:d>c,A错误;由题意可知,工作时H2O在双极膜界面处解离成H+、OH-并向两极移动,N不能透过双极膜,B错误;由上述分析可知,阴极主要反应为N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-,C错误;由电极反应可知,阳极产生22.4 L气体(标准状况)即1 mol O2时,共转移4 mol电子,阴极产生0.47 mol NH3,产生NH3转移的电子为0.47×8 mol,FE(NH3)=×100%=94%,D正确。
10.(3分)利用下图所示的装置进行铁上电镀铜的实验探究。
装置示意图 序号 电解质溶液 实验现象
① 0.1 mol/L CuSO4溶液+少量H2SO4溶液 阴极表面有无色气体,一段时间后阴极表面有红色固体,气体减少。经检验电解液中有Fe2+
② 0.1 mol/L CuSO4溶液+过量氨水 阴极表面未观察到气体,一段时间后阴极表面有致密红色固体。经检验电解液中无Fe元素
下列说法不正确的是(　C　)
A.①中气体减少,推测是由于溶液中c(H+)减小,且Cu覆盖铁电极,阻碍H+与铁接触
B.①中检测到Fe2+,推测可能发生反应:Fe+2H+===Fe2++H2↑、Fe+Cu2+===Fe2++Cu
C.随阴极析出Cu,推测②中溶液c(Cu2+)减小,Cu2++4NH3 [Cu(NH3)4]2+平衡逆向移动
D.②中Cu2+生成[Cu(NH3)4]2+,使得c(Cu2+)比①中溶液的小,Cu缓慢析出,镀层更致密
解析:图示装置中铁作阴极,由实验现象知,实验①中铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜,一段时间后,铜离子在阴极放电,得电子发生还原反应生成铜;实验②中铜离子先与过量氨水反应生成四氨合铜离子,c(Cu2+)减小,避免了Fe与Cu2+反应,然后四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,故铁表面得到比实验①更致密的镀层。随着反应进行,H+浓度减小,其与Fe的反应速率减小,且Cu2+得电子生成的铜覆盖铁电极,可阻碍H+与铁接触,导致产生的气体减少,A项正确;由以上分析知,B项正确;[Cu(NH3)4]2+在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,故随阴极析出铜,[Cu(NH3)4]2+浓度减小,Cu2++4NH3 [Cu(NH3)4]2+平衡正向移动,C项错误;由以上分析知,D项正确。
11.(14分)Ⅰ.研究铁的腐蚀,实验步骤如下:
步骤1:将铁粉放置于0.002 mol·L-1 CuSO4溶液中浸泡,过滤后用水洗涤。
步骤2:向15.00 mL 1 mol·L-1 NaCl溶液(用盐酸调至pH=1.78)中加入浸泡过的Fe粉。
步骤3:采集溶液pH随时间变化的数据。
(1)第一阶段,主要发生析氢腐蚀,Cu上发生的电极反应为2H++2e-===H2↑。
(2)第二、三阶段主要发生吸氧腐蚀。
①析氧腐蚀时Cu上发生的电极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-。
②第一阶段和第二阶段发生不同种类腐蚀的主要影响因素是溶液的酸碱性(或溶液的pH)。
Ⅱ.研究铁的防护
(3)在铁表面镀锌可有效防止铁被腐蚀
已知:Zn2+放电的速率缓慢且平稳时有利于得到致密、细腻的镀层。
①镀件Fe应与电源的负极相连。
②向ZnSO4电解液中加入NaCN溶液,将Zn2+转化为[Zn(CN)4]2-,电解得到的镀层更加致密、细腻,原因是通过反应Zn2++4CN- [Zn(CN)4]2-降低c(Zn2+),使得Zn2+放电速率减缓,同时通过平衡的移动补充放电消耗的Zn2+,使其浓度保持相对稳定,达到放电速率平稳的作用。
12.(16分)电化学原理被广泛应用于生产、生活的许多方面,利用电解法脱除煤中的含硫物质(主要是FeS2)的原理如图所示。
(1)阴极石墨棒上有无色气体产生,该气体是H2。
(2)阳极的电极反应为Fe2+-e-===Fe3+。
(3)补全脱硫反应的离子方程式:
1FeS2+14Fe3++8H2O===2S+15Fe2++16H+
(4)相同反应时间,FeCl3对脱硫率的影响如图所示。
①电解脱硫过程中,FeCl3的作用是催化剂,结合简单碰撞理论说明使用FeCl3能增大反应速率的原因:催化剂能改变反应历程,降低FeS2直接在电极放电反应中的活化能,增大单位体积内反应物分子中活化分子的数目,单位时间内有效碰撞次数增多,反应速率增大。
②FeCl3的质量分数大于1.5%时,脱硫率随FeCl3浓度的增大而下降,解释原因:随着FeCl3浓度的增大,可能发生Fe3+在阴极放电或者Cl-在阳极放电等副反应,导致与FeS2反应的Fe3+浓度减小,脱硫率降低[或随着FeCl3浓度的增大,平衡Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+正向移动,产生更多Fe(OH)3胶体,导致煤浆聚沉,脱硫率降低]。
(5)研究发现,电解时若电压过高,阳极有副反应发生,造成电解效率降低。电解效率η的定义:η(B)=×100%。某电压下电解100 mL煤浆-FeCl3-H2SO4混合液,煤浆中除FeS2外不含其他含硫物质,混合液中H2SO4浓度为0.01 mol·L-1,FeCl3的质量分数为1.5%。当阴极收集到224 mL(标准状况)气体时(阴极无副反应发生),测得溶液中c(S)=0.02 mol·L-1,η(S)=35%(忽略电解前后溶液的体积变化)。
(6)综上,电解法脱硫的优点有联产高纯H2、Fe3+可循环利用、脱硫速率大(答案合理即可)(写出两点)。
解析:(1)由题图可知,阳极石墨棒上,Fe2+发生氧化反应转化为Fe3+,Fe3+和FeS2反应生成Fe2+、S和H+,阴极石墨棒上有无色气体产生,阴极的电极反应为2H++2e-===H2↑,阴极上产生的气体为H2。(2)阳极石墨棒上,Fe2+发生氧化反应转化为Fe3+,电极反应为Fe2+-e-===Fe3+。(3)由题图可知,Fe3+和FeS2反应生成Fe2+、S和H+,根据质量守恒定律可知,产物H+来自H2O,即该反应的反应物有Fe3+、FeS2和H2O,生成物有Fe2+、S、H+,该反应的离子方程式为FeS2+14Fe3++8H2O===2S+15Fe2++16H+。(5)当阴极收集到224 mL(标准状况)气体时,n(H2)==0.01 mol,根据阴极的电极反应2H++2e-===H2↑可知,通过电极的电子的物质的量为0.02 mol;混合溶液的体积为100 mL,电解前后,Δc(S)=0.02 mol·L-1-0.01 mol·L-1=0.01 mol·L-1,生成的S的物质的量为0.01 mol·L-1×0.1 L=0.001 mol,由FeS2反应生成0.001 mol S转移0.007 mol电子,故η(S)=×100%=35%。(共107张PPT)
第七章　化学反应与能量转化
第37讲　电解池　金属的
腐蚀与防护
目
录
考点二　电解原理的应用
考点三　金属的腐蚀与防护
课时作业
考点一　电解原理
真题演练 感悟高考
复习目标
1.理解电解池的构成和工作原理,能书写电极反应和总反应。2.掌握氯碱工业、电解精炼、电镀、电冶金等的反应原理。3.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。
一
考点一 电解原理
1.电解与电解池
电解质溶液(或熔融电解质)
氧化还原反应
电
化学
直流电源
电解质
熔融电解质
闭合回路
2.构建电解池模型(以电解CuCl2溶液为例)
3.电解中的放电规律
4.惰性电极电解各类电解质溶液的变化分析
(1)电解水型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
H2SO4 阴极:____________________; 阳极:__________________________; 总反应式:______________________ ______ ______
2H++2e-===H2↑
2H2O-4e-===4H++O2↑
2H2O 2H2↑+O2↑
增大
加水
(2)电解电解质型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
HCl 阴极:____________________; 阳极:_______________________; 总反应式:___________________ _____ __________
CuCl2 阴极:____________________; 阳极:_______________________; 总反应式:___________________ ______________
2H++2e-===H2↑
2Cl--2e-===Cl2↑
2HCl 　　H2↑+Cl2↑
Cu2++2e-===Cu
2Cl--2e-===Cl2↑
CuCl2 　　Cu+Cl2↑
减小
通入HCl
加CuCl2固体
(3)电解质和水均参与电解型
实例 电极反应式及总反应式 电解质浓度 复原方法
NaCl、 KCl(放 H2生碱) 阳极:________________________; 阴极:__________________________; 总反应式:__________________________ 减小并生成 新电解质 ________
CuSO4、 Cu(NO3)2 (放O2 生酸) 阳极:__________________________; 阴极:__________________________; 总反应式:__________________________ __________ __________ ________
2Cl--2e-===Cl2↑
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
通入HCl
2H2O-4e-===4H++O2↑
Cu2++2e-===Cu
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
减小并生成
新电解质
加CuO
若用惰性电极电解3 mol·L-1 NaCl和1 mol·L-1 CuSO4的混合溶液,可看作三个电解阶段。
(1)第一阶段:相当于电解________________________溶液,电解总反应:
___________________。
(2)第二阶段:相当于电解________________________溶液,电解总反应:
__________________________________。
(3)第三阶段:相当于电解____,电解总反应:___________________。
微点助学
1 mol·L-1 CuCl2
CuCl2
Cu+Cl2↑
1 mol·L-1 NaCl
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
水
2H2O
O2↑+2H2↑
1.实验装置如图所示。接通电源后,用碳棒(a'、b')作笔,在浸有饱和NaCl溶液和石蕊溶液的湿润试纸上同时写字,a'端的字迹呈白色。下列结论正确的是(　　)
A.a为负极
B.b'端的字迹呈蓝色
C.电子流向为b→b'→a'→a
D.如果将a'、b'换成铜棒,与碳棒作为电极时
的现象相同
B
解析:a'端的字迹呈白色,说明a'端生成了氯气,氯离子失去电子,为阳极,故a为正极,A错误;b'端为阴极,水放电生成氢气和氢氧根离子,石蕊变蓝,B正确;电子沿导线由b流向b',由a'流向a,但电子不能在电解质溶液中移动,不会由b'流向a',C错误;如果换成铜棒,a所连一侧的铜棒作为阳极,铜放电生成Cu2+,现象与碳棒a'作为电极时不相同,D错误。
2.用石墨作电极,电解稀Na2SO4溶液的装置如图所示,通电后在石墨电极A和B附近分别滴加一滴石蕊溶液。下列叙述正确的是(　　)
A.逸出气体的体积:A电极B.一电极逸出无味气体,另一电极逸出有刺激性
气味气体
C.滴入石蕊溶液后,A电极附近呈红色,B电极
附近呈蓝色
D.电解一段时间后,将全部电解液转移到同一烧杯中,充分搅拌后溶液呈中性
D
解析:用惰性电极电解Na2SO4溶液,A电极为阴极,B电极为阳极。S、OH-移向B电极,在B电极H2O电离出的OH-放电,产生O2,B电极附近c(H+)>c(OH-),滴入石蕊溶液后变红,Na+、H+移向A电极,在A电极H2O电离出的H+放电产生H2,A电极附近c(OH-)>c(H+),滴入石蕊溶液后变蓝,产生H2和O2的体积之比约为2︰1,A、B、C项错误,D项正确。
3.用如图所示装置(X、Y是直流电源的两极)分别进行下列各组实验,表中各项所列对应关系均正确的是(　　)
选项 X极 实验前U形 管中的溶液 通电后现象及结论
A 正极 饱和KNO3溶液 只有a极有气体逸出,溶液底部有晶体析出
B 正极 AgNO3溶液 b处电极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O
C 负极 CuCl2溶液 b处有气体逸出
D 负极 NaOH溶液 溶液pH减小
C
解析:电解饱和KNO3溶液,实质是电解水,a、b两极均有气体逸出,且有KNO3晶体析出,A项错误;电解AgNO3溶液时,阴极上Ag+得电子,发生还原反应,即b处电极反应为Ag++e-===Ag,B项错误;电解CuCl2溶液时,阳极上Cl-失电子,发生氧化反应,即b处Cl-放电,产生Cl2,C项正确;电解NaOH溶液时,阴极上是水电离的H+放电,阳极上是OH-放电,实际上电解的是水,导致NaOH溶液中溶质的浓度增大,碱性增强,pH增大,D项错误。
二
考点二 电解原理的应用
1.氯碱工业
习惯上把电解饱和食盐水的工业生产叫做氯碱工业。
(1)反应原理
阳极:2Cl--2e-===Cl2↑(____反应)。
阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-(____反应)。
总反应的化学方程式:__________________________________。
总反应的离子方程式:_______________________________。
氧化
还原
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
2Cl-+2H2O
2OH-+H2↑+Cl2↑
(2)离子交换膜法的生产过程
加入或流出的物质a、b、c、d分别是_________________________、_______________________、_______、_____________;X、Y分别是_____、___。氯碱工业产品还可用于制备含氯消毒剂和盐酸。
精制饱和NaCl溶液
H2O(含少量NaOH)
淡盐水
NaOH溶液
Cl2
H2
阳离子交换膜的作用是阻止_______进入阳极室与Cl2发生副反应:
2NaOH+Cl2===NaCl+NaClO+H2O,阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生爆炸。
OH-
2.电镀
(1)概念:利用电解原理在某些金属表面镀上一薄层其他金属或合金的加工工艺。
(2)目的:增强金属的抗腐蚀能力,增加表面硬度和美观。
镀层金属(Cu)
镀件
含有镀层金属
离子(Cu2+)
Cu-2e-===Cu2+
Cu2+-2e-===Cu
3.电解精炼
粗铜
纯铜
硫酸铜溶液
Cu-2e-===Cu2+、Zn-2e-===
Zn2+、Ni-2e--Ni2+
Cu2++2e-=== Cu
电解含Zn、Fe、Ni、Ag、Au等杂质的粗铜精炼铜时,阳极泥的主要金属单质是什么 为什么
Ag、Au。因为Ag、Au不如铜活泼,不能放电形成离子进入溶液中。
微点助学
4.电冶金
利用电解熔融盐或氧化物的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
冶炼钠 2NaCl(熔融) 　　 2Na+Cl2↑ 阳极:_____________________;
阴极:__________________
冶炼镁 MgCl2(熔融) 　　 Mg+Cl2↑ 阳极:_____________________;
阴极:____________________
冶炼铝 2Al2O3(熔融) 　　　 4Al+3O2↑ 阳极:____________________;
阴极:____________________
2Cl--2e-===Cl2↑
Na++e-===Na
2Cl--2e-===Cl2↑
Mg2++2e-===Mg
2O2--4e-===O2↑
Al3++3e-===Al
工业生产镁、铝均采用电解法,制取Mg时电解熔融的MgCl2而不是MgO,而制取Al时电解熔融的Al2O3,而不是AlCl3,这是为什么
MgCl2、MgO都是离子化合物,在熔融状态时都能导电,但MgO的熔点太高,熔融需要耗费大量能源;Al2O3是离子化合物,AlCl3是共价化合物,在熔融状态下Al2O3导电,AlCl3不导电,故制取铝时电解熔融的Al2O3(电解时加入冰晶石降低氧化铝的熔点)。
微点助学
1.(2023·浙江6月选考)氯碱工业能耗大,通过如图改进的设计可大幅度降低能耗。下列说法不正确的是(　　)
A.电极A接电源正极,发生氧化反应
B.电极B的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+
2OH-
C.应选用阳离子交换膜,在右室获得浓度较高
的NaOH溶液
D.改进设计中通过提高电极B上反应物的氧化性来降低电解电压,减少能耗
B
解析:电极A上氯离子变为氯气,氯元素化合价升高,因此电极A是电解池阳极,接电源正极,发生氧化反应,故A正确;电极B为阴极,通入氧气,氧气得到电子,电极反应式为2H2O+4e-+O2===4OH-,故B错误;右室生成氢氧根离子,应选用阳离子交换膜,使左室的钠离子进入右室,在右室获得浓度较高的NaOH溶液,故C正确;改进设计中在电极B处通入O2,提高了电极B上反应物的氧化性,从而降低电解电压,减少能耗,故D正确。
2.金属镍有广泛的用途,粗镍中含有Fe、Zn、Cu、Pt等杂质,可用电解法制得高纯度的镍。下列叙述正确的是(已知氧化性:Fe2+A.阳极发生还原反应,电极反应为Ni2++2e-===Ni
B.电解过程中,阳极质量的减小量与阴极质量的增加量相等
C.电解后,溶液中存在的阳离子只有Fe2+和Zn2+
D.电解后,电解槽底部的阳极泥中有Cu和Pt
D
解析:电解时,阳极Zn、Fe、Ni失去电子,发生氧化反应,A项错误;因氧化性:Ni2+>Fe2+>Zn2+,故阴极的电极反应为Ni2++2e-===Ni,阳极质量减小是因为Zn、Fe、Ni溶解,而阴极质量增加是因为Ni析出,二者质量不相等,B项错误;电解后溶液中存在的阳离子除Fe2+和Zn2+外,还有Ni2+和H+,C项错误。
3.(2025·安徽蚌埠模拟)利用如图装置进行“铁件镀铜”实验,观察到阴极表面产生无色气体,一段时间后,气体减少,表面有红色固体,经检验,电解液中有Fe2+。下列分析或说法不正确的是(　　)
A.阴极表面产生气体的反应可能为2H++2e-===H2↑
B.Cu覆盖在Fe电极表面,导致气体减少
C.电镀完成后,阳极减小的质量等于阴极增加的质量
D.向电解后的溶液中滴加KSCN溶液,不会变成红色
C
解析:由题干图示信息可知,Cu作阳极,电极反应为Cu-2e-===Cu2+,Fe作阴极,电极反应为Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,经检验,电解液中有Fe2+,说明阴极上有Cu析出,可与Fe形成局部原电池反应,正极反应为2H++2e-===H2↑,负极反应为Fe-2e-===Fe2+,则Cu覆盖在Fe表面越多,该电池反应越弱,据此分析解题。由分析可知,阴极表面产生气体的反应可能为2H++2e-===H2↑,A正确;由题干信息可知,一段时间后,气体减少,表面有红色固体,即Cu覆盖在Fe电极表面,导致气体减少,B正确;由分析可知,阳极电极反应为Cu-2e-===Cu2+,阴极电极反应为Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,根据得失电子守恒可知,电镀完成后,阳极减小的质量大于阴极增加的质量,C错误;由题干信息可知,电解液中有Fe2+,故向电解后的溶液中滴加KSCN溶液,不会变成红色,D正确。
4.研究发现,可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2-CaO作电解质,利用图示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法正确的是(　　)
A.将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液也可以达到
相同目的
B.阳极的电极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑
C.在制备金属钛前后,整套装置中CaO的总量减少
D.阴极的电极反应式为Ca-2e-===Ca2+
B
解析:由题图可知,石墨为阳极,其电极反应式为C+2O2--4e-===CO2↑,钛网是阴极,其电极反应式为Ca2++2e-===Ca。将熔融CaF2-CaO换成Ca(NO3)2溶液,阴极上H+放电,无法得到金属Ca;钙还原二氧化钛的化学方程式为2Ca+TiO2===Ti+2CaO,制备金属钛前后,CaO的总量不变。
【考题】　(2025·陕晋宁青卷)我国科研人员采用图示的电解池,由百里酚(TY)合成了百里醌(TQ)。电极b表面的主要反应历程见图(灰球表示电极表面催化剂),下列说法错误的是(　　)
真题展示
电有机合成
A.电解时,H+从右室向左室移动
B.电解总反应:TY+H2O 　　 TQ+2H2↑
C.以 为原料,也可得到TQ
D.用18O标记电解液中的水,可得到
真题展示
(1)根据两极上的物质转化判断阴阳极,分析H+的移动方向。
(2)根据电解原理和题意写出电解反应的化学方程式。
(3)结合反应历程中断键、成键的位置分析 　　 　的氧化产物以及O中的18O存在哪种产物中。
【答案】　D
【教材】　(人教版选择性必修1 P109·资料卡片)
电有机合成
许多有机化学反应包含电子的转移,使这些反应在电解池中进行时称为电有机合成。例如,制造尼龙-66的原料己二腈[NC(CH2)4CN]用量很大,传统上以乙炔和甲醛为原料经过很长路线才能合成己二腈。如改用电合成法,则先以丙烯为原料制备丙烯腈(CH2==CHCN),再用丙烯腈电合成己二腈。电合成己二腈的反应如下。
真题溯源
阳极:H2O-2e-===O2↑+2H+
阴极:2CH2==CHCN+2H++2e-===NC(CH2)4CN
总反应:
2CH2==CHCN+H2O 　　 NC(CH2)4CN+O2↑
与其他有机合成相比,电有机合成具有反应条件温和、反应试剂纯净和生产效率高等优点。
真题溯源
(1)有机物中“氢”为+1价,“氧”为-2价,依据化合物中各元素化合价代数和为零的原则确定有机物中碳元素的化合价,然后根据反应前后碳元素化合价的变化及碳原子数目确定电极反应式中得失电子的数目。
(2)写电极反应式时注意电解池中各室电解装置所处的环境条件,即酸性条件下不出现OH-,碱性条件下不出现H+。
(3)电解池装置中,各电极上转移的电子数是相等的。
1.(2026·湖北重点高中协作体联考)烯烃与惰性电极上产生的活性物质反应可以得到醛。利用如图电化学装置可以将乙烯转化为丙醛。
下列说法错误的是(　　)
A.a极为电源正极
B.离子交换膜只允许H+通过
C.阴极电极反应可能有2H++2e-===H2↑、
CO2+2e-+2H+===H2O+CO
D.过程中乙烯发生还原反应
D
解析:由图可知,b极所连电极板上是H+得电子产生H2,CO2得电子生成CO,所以b极所连电极板为电解池的阴极,b极为电源负极,A正确;H+在b极所连电极板上放电,水电离的OH-在a极所连电极板上放电,只有允许H+不断通过离子交换膜才能形成闭合回路,B正确;阴极得电子的为H+和CO2,电极反应为2H++2e-===H2↑、CO2+2e-+2H+===H2O+CO,C正确;C2H4转化为CH3CH2CHO(C3H6O),利用平均化合价法可判断反应后碳元素化合价升高,乙烯发生氧化反应,D错误。
2.(2025·河北保定一模)有机物参加的反应在日常生活和科学研究中扮演着重要的角色,不仅可以用于有机合成,还可以用于多种材料的改性和功能
化设计。某科研小组以硝基苯为原料电催化合成 　　　　 　的装
置如图所示,M电极和N电极为覆盖催化剂的惰性电极,装置工作时定时将N电极室溶液转移至M电极室。下列说法正确的是(　　)
B
A.装置工作时,OH-通过离子交换膜移向N极
B.阳极反应:2 　　　　　　-4e-+4OH-=== 　　　　　 　+4H2O
C.装置工作时,阴离子交换膜两侧溶液的pH保持不变
D.转移相同电子,M电极消耗的 　　 　和N电极产生的 　　　
相等
解析:由图可知, 　　　　 在N极发生还原反应生成 　　　　 ,N极为阴极,M极为阳极,装置工作时,OH-通过离子交换膜移向M极,A错误;
　　　　 在阳极失去电子生成 　　　　 　,根据得失电子守恒和电荷守恒配平电极反应式为2 　　　 　 -4e-+4OH-=== 　　　
+4H2O,B正确;
阴极电极反应式为 　　　　 +6e-+4H2O=== 　　　　 +6OH-,当转移4 mol电子时,阴离子交换膜右侧有4 mol OH-进入左侧,同时左侧消耗4 mol OH-,两侧OH-物质的量不变,但左侧生成了水,OH-浓度减小,pH减小,右侧消耗水,OH-浓度增大,pH增大,C错误;转移相同电子,M电极消耗的
　　　大于N电极产生的 　　　 　,D错误。
3.(2025·河南郑州三模)工业上用电解法实现间硝基甲苯合成间氨基苯甲酸,其生产原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
D
A.M电极的电势比N电极高
B.间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸,发生了还原反应
C.间硝基甲苯反应的离子方程式为
　　 　+Cr2+8H+→ 　　　 +2Cr3++5H2O
D.理论上电路中每转移5 mol电子恰好生成1 mol间氨基苯甲酸
解析:由图可知,M电极上Cr3+转化为Cr2,Cr元素化合价升高,发生氧化反应,M为阳极,N电极上Ti4+转化为Ti3+,Ti元素化合价降低,发生还原反应,N为阴极,在电解池中,阳极电势比阴极电势高,所以M电极的电势比N电极高,A正确;间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸时,—NO2转化为—NH2,N元素化合价降低,得到电子,发生了还原反应,B正确;间硝基甲苯与Cr2在酸性条件下反应生成间硝基苯甲酸、Cr3+和H2O,
根据得失电子守恒、电荷守恒和原子守恒,可知离子方程式为 　　　
+Cr2+8H+→ 　　　 +2Cr3++5H2O,C正确;间硝基苯甲酸转化为间氨基苯甲酸时,—NO2(N为+4价)转化为—NH2(N为-2价),1个—NO2转化为1个—NH2得到6个电子,所以理论上电路中每转移6 mol电子恰好生成1 mol间氨基苯甲酸,D错误。
三
考点三 金属的
腐蚀与防护
1.金属腐蚀的本质
金属原子失去电子变为金属阳离子,发生____反应。
氧化
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 金属与接触到的干燥气体或非电解质液体直接发生化学反应 不纯的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 较活泼的金属被腐蚀
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 水膜酸性很弱或呈中性
电极 反应 负极 Fe-2e-===Fe2+
正极 ____________________ _________________________
总反 应式 ____________________ ___________________________
联系 ________更普遍
2H++2e-===H2↑
O2+2H2O+4e-===4OH-
Fe+2H+===Fe2++H2↑
2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2
吸氧腐蚀
判断正误。
(1)纯银器表面变黑和钢铁表面生锈腐蚀原理一样。(　　)
(2)Al、Fe、Cu在潮湿的空气中腐蚀均生成氧化物。(　　)
(3)钢铁发生电化学腐蚀时,负极铁失去电子生成Fe3+。(　　)
微点助学
×
×
×
3.金属腐蚀快慢的规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀的快慢: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,腐蚀的快慢: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)活动性不同的两种金属,活动性差异越大,活动性强的金属被腐蚀得越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀速率越快。
如图所示,各烧杯中盛有海水,铁在其中被腐蚀的速率由快到慢的顺序是______________(填序号)。
微点助学
⑤④②①③⑥
4.金属的防护
负
正
阴
阳
1.(2024·湖北卷)2024年5月8日,我国第三艘航空母舰福建舰顺利完成首次海试。舰体表面需要采取有效的防锈措施,下列防锈措施中不形成表面钝化膜的是(　　)
A.发蓝处理 B.阳极氧化
C.表面渗镀 D.喷涂油漆
D
2.(2024·广东卷)我国自主设计建造的浮式生产储卸油装置“海葵一号”将在珠江口盆地海域使用,其钢铁外壳镶嵌了锌块,以利用电化学原理延缓外壳的腐蚀。下列有关说法正确的是(　　)
A.钢铁外壳为负极
B.镶嵌的锌块可永久使用
C.该法为外加电流法
D.锌发生反应:Zn-2e-===Zn2+
D
解析:金属活动性:Zn>Fe,钢铁外壳为正极,锌块为负极,故A错误;Zn失去电子,发生还原反应:Zn-2e-===Zn2+,镶嵌的锌块会被逐渐消耗,需根据腐蚀情况进行维护和更换,不能永久使用,故B错误;该方法为牺牲阳极法,故C错误;Zn失去电子,发生氧化反应:Zn-2e-===Zn2+,故D正确。
3.(2025·山东聊城二模)恒温条件下,用图1所示装置研究铁的电化学腐蚀,测定结果如图2。
下列说法正确的是(　　)
A.AB段pH越大,析氢速率越大
B.其他条件不变,增大空气中氧气浓度,析出H2质量减小
C.BC段正极反应式主要为O2+2H2O+4e-===4OH-
D.DE段溶液pH基本不变,可能的原因:相同时间内,2Fe+O2+4H+===2Fe2+
+2H2O消耗H+的量与4Fe2++O2+10H2O===4Fe(OH)3+8H+产生H+的量基本相同
D
解析:图1中构成原电池,铁作负极,开始时pH较小,AB段溶液pH增大,体系压强增大,铁主要发生析氢腐蚀;BD段溶液的pH增大,体系压强减小,正极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;DE段溶液pH基本不变,但压强减小,可能的原因是相同时间内,2Fe+O2+4H+===2Fe2++2H2O消耗H+的量与4Fe2++O2+10H2O===4Fe(OH)3+8H+产生H+的量基本相同。AB段铁主要发生析氢腐蚀,负极Fe-2e-===Fe2+,正极2H++2e-===H2↑,pH越大,析氢速率越小,A错误;AB段铁主要发生析氢腐蚀,负极Fe-2e-===Fe2+,正极2H++2e-===H2↑,析出H2质量与氧气浓度无关,B错误;由题图2可知BC段的pH约为3~5,正极不能产生OH-,电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O,C错误;由分析可知,D正确。
四
真题演练 感悟高考
1.(2025·全国卷)下列关于铁腐蚀与防护的反应式正确的是(　　)
A.酸性环境中铁发生析氢腐蚀的负极反应:Fe-2e-===Fe2+
B.铁发生腐蚀生锈的反应:3Fe+2O2+xH2O===Fe3O4·xH2O
C.铁经过发蓝处理形成致密的氧化膜:Fe+2HNO3(浓) ===FeO+2NO2↑+
H2O
D.安装锌块保护船舶外壳,铁电极上发生的反应:Fe3++3e-===Fe
解析:酸性环境中铁发生析氢腐蚀,负极是Fe,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,故A正确;铁腐蚀生锈的产物应为Fe2O3·xH2O,故B错误;发蓝处理形成的是Fe3O4,故C错误;安装锌块保护船舶外壳,属于牺牲阳极法,铁电极上可能是O2得电子发生还原反应,非Fe3+被还原,故D错误。
A
2.(2024·浙江1月选考)破损的镀锌铁皮在氨水中发生电化学腐蚀,生成[Zn(NH3)4]2+和H2,下列说法不正确的是(　　)
A.氨水浓度越大,腐蚀趋势越大
B.随着腐蚀的进行,溶液的pH变大
C.铁电极上发生的电极反应式为2NH3+2e-===H2↑+2N
D.每生成标准状况下224 mL H2,消耗0.010 mol Zn
C
解析:氨水浓度越大,越容易生成[Zn(NH3)4]2+,腐蚀趋势越大,A正确;腐蚀的总反应为Zn+4NH3·H2O=== [Zn(NH3)4]2++H2↑+2H2O+2OH-,有OH-生成,溶液pH变大,B正确;该电化学腐蚀中Zn作负极,Fe作正极,正极上水电离出来的氢离子得电子生成氢气,铁电极上的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,C错误;根据得失电子守恒,每生成标准状况下224 mL H2,转移电子的物质的量为=0.02 mol,消耗0.010 mol Zn,D正确。
3.(2024·甘肃卷)某固体电解池工作原理如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.电极1的多孔结构能增大与水蒸气的接
触面积
B.电极2是阴极,发生还原反应:
O2+4e-===2O2-
C.工作时O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2
D.理论上电源提供2 mol e-能分解1 mol H2O
B
解析:多孔电极1上H2O(g)发生得电子的还原反应转化成H2(g),多孔电极1为阴极,电极反应式为H2O+2e-===H2↑+O2-;多孔电极2上O2-发生失电子的氧化反应转化成O2(g),多孔电极2为阳极,电极反应式为2O2--4e-===O2↑。电极1的多孔结构能增大电极的比表面积,增大与水蒸气的接触面积,A项正确;由分析知,B项错误;工作时,阴离子(O2-)向阳极移动,即O2-从多孔电极1迁移到多孔电极2,C项正确;电解总反应式为2H2O(g) 　　　
2H2+O2,分解2 mol H2O转移4 mol电子,则理论上电源提供2 mol电子能分解1 mol H2O,D项正确。
4.(2025·湖南卷)一种电化学处理硝酸盐产氨的工作原理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.电解过程中,K+向左室迁移
B.电解过程中,左室中N的浓度持续下降
C.用湿润的蓝色石蕊试纸置于b处,试纸先变红后褪色
D.N完全转化为NH3的电解总反应:
N+8Cl-+6H2O 　　　NH3↑+9OH-+4Cl2↑
B
解析:由题图可知,左侧发生N→NH3,N元素化合价下降,则左侧是阴极区,右侧发生Cl-→Cl2,Cl元素化合价上升,则右侧是阳极区,据此解答。电解池中,阳离子向阴极移动,则K+向左室迁移,A正确;电解过程中,N先生成,再消耗,是中间产物,其浓度增大还是减小,取决于生成速率与消耗速率,无法得出其浓度持续下降的结论,B错误;b处生成氯气,与水反应生成盐酸和次氯酸,盐酸能使蓝色石蕊试纸变红,次氯酸能使变红的试纸褪色,故能看到试纸先变红后褪色,C正确;左侧阴极反应是N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-,右侧阳极反应是2Cl--2e-===Cl2↑,将两电极反应相加即可得到总反应,D正确。
5.(2025·全国卷)某研究小组设计如下电解池,既可将中性废水中的硝酸盐转化为氨,又可将废塑料(PET)碱性水解液中的乙二醇转化为羟基乙酸盐,实现变废为宝。
电解时,下列说法错误的是(　　)
A.阳极区pH下降
B.OH-从阴极区向阳极区迁移
C.阴极发生反应N+7H2O+8e-===NH3·H2O+9OH-
D.阴极转化1 mol N,阳极将生成4 mol HOCH2COO-
D
解析:根据题图,电解时,左侧电极连接电源负极,为阴极区,发生还原反应,电极反应式为N+7H2O+8e-===NH3·H2O+9OH-;右侧电极连接电源正极,为阳极区,发生氧化反应,电极反应式为HOCH2CH2OH-4e-+5OH-===HOCH2COO-+4H2O。根据分析,阳极区消耗了OH-,pH下降,A正确;阴极区生成了OH-,阳极区消耗了OH-,按照离子移动方向,OH-从阴极区通过阴离子交换膜向阳极区迁移,B正确;根据分析,C正确;阴极转化1 mol N,转移8 mol e-,此时阳极将生成2 mol HOCH2COO-,D错误。
五
课时作业37
1.(3分)(2025·河南安阳模拟)“伏鸟双尾青铜虎”是“江西博物馆十大镇馆之宝”之一。下列叙述错误的是(　　)
A.青铜是铜锡合金材料
B.表面铜绿的主要成分是Cu2(OH)2CO3
C.青铜在碱性潮湿土壤中易发生析氢腐蚀
D.可采用蜡封法保存“伏鸟双尾青铜虎”
C
2.(3分)(2025·河北邢台模拟)汞阴极法电解饱和食盐水制取NaOH的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电解室中可使用铜棒作阳极
B.电解室中汞阴极发生的反应为Na++e-===Na
C.解汞室中的反应为吸热反应
D.两室联合生产的总反应为2NaCl 　　　2Na+Cl2↑
B
解析:由原理图可知,电解室内阳极反应为2Cl--2e-===Cl2↑,阴极反应为Na++e-===Na;解汞室内发生的反应为2Na+2H2O===2NaOH+H2↑。电解室中若使用铜棒作阳极,则发生反应Cu-2e-===Cu2+,因此不可使用铜棒作阳极,A错误;根据分析,电解室中汞阴极发生的反应为Na++e-===Na,B正确;解汞室中钠与水的反应为放热反应,C错误;根据分析,电解室内总反应为2NaCl 　　　2Na+Cl2↑,D错误。
3.(3分)(2025·河南郑州二模)某大学一课题组创建光电共轭聚合物网络用于太阳能驱动硝酸盐转化产氨和氧气。模拟装置如图所示。下列叙述正确的是(　　)
A.上述装置可实现太阳能全部转化成化学能
B.M极反应式为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-
C.装置工作一段时间后,N极区溶液pH升高
D.同温同压下,生成a L NH3时理论上逸出0.5a L O2
B
解析:M电极上N发生还原反应生成NH3,M极为阴极;N极为阳极,OH-在N极失电子发生氧化反应生成O2。太阳能转化为化学能时,有部分能量转化为热能,A错误;M极上N得电子发生还原反应生成氨气,电极反应式为N+6H2O+8e-===NH3↑+9OH-,B正确;OH-在N极失电子发生氧化反应生成O2,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,故N极区溶液pH降低,C错误;根据得失电子守恒,n(NH3)×8=n(O2)×4,同温同压下,气体体积之比等于其物质的量之比,生成a L NH3时理论上逸出O2体积为2a L,D错误。
4.(3分)(2025·浙江舟山模拟)表面皿中都装有混合了饱和食盐水、酚酞和铁氰化钾溶液的琼脂,分别将缠有铜丝的铁钉(图A)和缠有锌皮的铁钉(图B)放置其中,如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.图B中铁钉受锌皮保护,为牺牲阳极法
B.图B中铁钉上的电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
C.离子在半凝固态的琼脂内可定向移动
D.图A中,会出现蓝、红、蓝三个色块
B
解析:图A中,根据题中条件可知,形成原电池,其中铁为负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,铜为正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-;图B中,根据题中条件可知,形成原电池,其中锌作负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,铁作正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,据此作答。图B中铁为正极,锌为负极,为牺牲阳极法,故A正确;根据分析可知,图B中铁作正极,电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,故B错误;该装置形成原电池,所以离子在半凝固态的琼脂内可定向移动,故C正确;根据以上分析可知,图A中,铁作负极,发生氧化反应,其电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]反应产生蓝色沉淀,铜作正极,其电极反应式为O2+4e-+2H2O===4OH-,生成氢氧根离子,所以铜电极附近变红,由于铜裹在铁的中段,所以琼脂中会出现蓝、红、蓝三个色块,故D正确。
5.(3分)某电化学装置如图所示,a、b分别接直流电源两极。下列说法正确的是(　　)
A.电解质溶液中电子从B极移向A极
B.若B为粗铜,A为精铜,则溶液中c(Cu2+)保持不变
C.若A、B均为石墨电极,则通电一段时间后,溶液
的pH增大
D.若B为粗铜,A为精铜,则A、B两极转移的电子数相等
D
解析:电解质溶液通过离子定向移动导电,电解质溶液中没有电子移动,故A错误;若B为粗铜,A为精铜,电解质溶液是硫酸铜溶液,则该装置为电解精炼铜装置,溶液中c(Cu2+)减小,故B错误;若A、B均为石墨电极,则电解总反应的化学方程式为2CuSO4+2H2O 　　　2Cu+O2↑+2H2SO4,通电一段时间后,溶液的pH减小,故C错误。
6.(3分)(2025·安徽合肥模拟)磷酸铁(FePO4)主要用于制造磷酸铁锂电池材料。工业上可以用电解磷铁渣(主要含FeP等)的方法制备FePO4,装置如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.溶液中H+穿过质子交换膜向磷铁渣电极移动
B.电解结束一段时间后,NaOH浓度不变
C.阳极的电极反应:FeP+4H2O+8e-===FePO4+
8H+
D.每生成1 mol FePO4,石墨电极产生2 mol O2
B
解析:由题图可知,磷铁渣电极与电源正极相连,是阳极,石墨电极与电源负极相连,为阴极,据此作答。由题干图示信息可知,磷铁渣与电源正极相连,故溶液中H+穿过质子交换膜向石墨电极移动,A错误;由分析可知,石墨电极为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,但每生成2 mol OH-的同时有2 mol H+通过质子交换膜进入阴极区,故电解结束一段时间后,NaOH浓度不变,B正确;已知阳极发生氧化反应,故阳极的电极反应式为FeP+4H2O-8e-===FePO4+8H+,C错误;由B项分析可知,石墨电极上生成H2,而不产生O2,每生成1 mol FePO4,石墨电极产生4 mol H2,D错误。
7.(3分)(2025·河南开封三模)摄取一定量的溴酸盐会使人出现恶心、腹泻等症状。某科研团队设计在RuCu/CNT上电催化处理Br的原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.电子流向:M→P→电解质溶液→R→N
B.P电极上的电极反应式为Br+6e-+6H+
===Br-+3H2O
C.若电源为铅酸蓄电池,则N极为Pb电极
D.每处理1 mol Br,理论上阳极区溶液
质量减小48 g
B
解析:由题图可知,P电极上,Br得到电子,被还原为Br-,发生还原反应,为阴极,则R电极为阳极,外接电源M极为负极,N极为正极,阳极上水失去电子,被氧化为氧气,据此分析作答。由分析可知,P为阴极,R为阳极,M为负极,N为正极,电子不能经过电解质溶液,故电子流向:M→P,R→N,A错误;由分析可知,P为阴极,P电极上发生还原反应,该电极的电极反应式为Br+6e-+6H+===Br-+3H2O,B正确;由分析可知,N为正极,若电源为铅酸蓄电池,则N极为PbO2电极,C错误;由B项分析可知,每处理1 mol Br,电路上转移电子为6 mol,则理论上阳极区释放出1.5 mol O2,同时有6 mol H+经过质子交换膜由阳极区进入阴极区,故溶液质量减小1.5 mol×32 g/mol+6 mol×1 g/mol=54 g,D错误。
8.(3分)(2025·辽宁抚顺二模)利用有机电化学合成1,2-二氯乙烷的装置如图所示。若该装置工作时中间室NaCl溶液中溶质的浓度通过调整保持不变,电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,下列说法错误的是(　　)
A.电源中电势比较:b>a
B.离子交换膜Ⅰ为阴离子交换膜,
离子交换膜Ⅱ为阳离子交换膜
C.合成室内发生的反应为CH2==CH2
+2CuCl2→CH2ClCH2Cl+2CuCl
D.中间室补充NaCl的速率为2x mol·h-1
B
解析:由题图可知,右侧电极N上Cu的化合价由+1价升高为+2价,发生氧化反应,则电极N为阳极,电极b为正极,所以电极M为阴极,电极a为负极,据此分析作答。根据上述分析可知,a为电源的负极,b为正极,故电源中电势比较:b>a,A正确;由题图可知,中间室内的氯离子通过离子交换膜Ⅱ进入右室,最终和CuCl反应生成CuCl2,左室H+得到电子生成H2,OH-浓度增大,与中间室移动过来的Na+结合生成NaOH,所以离子交换膜Ⅰ为阳离子交换膜,离子交换膜Ⅱ为阴离子交换膜,B错误;根据原子守恒可知,合成室内发生的反应为CH2==CH2+2CuCl2→CH2ClCH2Cl+2CuCl,C正确;电解时阴极生成气体的速率为x mol·h-1,根据阴极反应:2H++2e-===H2↑,结合电荷守恒可知,中间室移动过来的Na+的速率为2x mol·h-1,故中间室补充NaCl的速率为2x mol·h-1,D正确。
9.(3分)(2025·安徽安庆二模)一种采用新型双极膜电解硝酸盐制备NH3的方法,可以提高NH3的法拉第效率FE。工作时H2O在双极膜界面处被催化解离成H+和OH-并向两极移动,阴极副产物有N2H4。该装置工作原理如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.电势:c>d
B.装置工作时,阴极区的N穿透双极膜进入阳极区
C.阴极反应式为N+8e-+9H+===NH3·H2O+2H2O
D.当阳极产生22.4 L气体(标准状况)时,阴极产生
0.47 mol NH3,则FE(NH3)=94%
D
解析:电极c发生的是N转化为NH3和N2H4的过程,因此c为阴极,d为阳极;阴极主要反应为N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-;阳极反应为4OH--4e-===O2↑+2H2O。阳极电势高于阴极,因此电势:d>c,A错误;由题意可知,工作时H2O在双极膜界面处解离成H+、OH-并向两极移动,N不能透过双极膜,B错误;由上述分析可知,阴极主要反应为N+8e-+6H2O===NH3↑+9OH-,C错误;由电极反应可知,阳极产生22.4 L气体(标准状况)即1 mol O2时,共转移4 mol电子,阴极产生0.47 mol NH3,产生NH3转移的电子为0.47×8 mol,FE(NH3)=×100%=94%,D正确。
10.(3分)利用下图所示的装置进行铁上电镀铜的实验探究。
装置示意图 序号 电解质溶液 实验现象
① 0.1 mol/L CuSO4溶液+少量H2SO4溶液 阴极表面有无色气体,一段时间后阴极表面有红色固体,气体减少。经检验电解液中有Fe2+
② 0.1 mol/L CuSO4溶液+过量氨水 阴极表面未观察到气体,一段时间后阴极表面有致密红色固体。经检验电解液中无Fe元素
下列说法不正确的是(　　)
A.①中气体减少,推测是由于溶液中c(H+)减小,且Cu覆盖铁电极,阻碍H+与铁接触
B.①中检测到Fe2+,推测可能发生反应:Fe+2H+===Fe2++H2↑、Fe+Cu2+
===Fe2++Cu
C.随阴极析出Cu,推测②中溶液c(Cu2+)减小,Cu2++4NH3 [Cu(NH3)4]2+平衡逆向移动
D.②中Cu2+生成[Cu(NH3)4]2+,使得c(Cu2+)比①中溶液的小,Cu缓慢析出,镀层更致密
C
解析:图示装置中铁作阴极,由实验现象知,实验①中铁会先与溶液中的氢离子、铜离子反应生成亚铁离子、氢气和铜,一段时间后,铜离子在阴极放电,得电子发生还原反应生成铜;实验②中铜离子先与过量氨水反应生成四氨合铜离子,c(Cu2+)减小,避免了Fe与Cu2+反应,然后四氨合铜离子在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,故铁表面得到比实验①更致密的镀层。随着反应进行,H+浓度减小,其与Fe的反应速率减小,且Cu2+得电子生成的铜覆盖铁电极,可阻碍H+与铁接触,导致产生的气体减少,A项正确;由以上分析知,B项正确;[Cu(NH3)4]2+在阴极得到电子缓慢发生还原反应生成铜,故随阴极析出铜,[Cu(NH3)4]2+浓度减小,Cu2++4NH3
[Cu(NH3)4]2+平衡正向移动,C项错误;由以上分析知,D项正确。
11.(14分)Ⅰ.研究铁的腐蚀,实验步骤如下:
步骤1:将铁粉放置于0.002 mol·L-1 CuSO4溶液中浸泡,过滤后用水洗涤。
步骤2:向15.00 mL 1 mol·L-1 NaCl溶液(用盐酸调至pH=1.78)中加入浸泡过的Fe粉。
步骤3:采集溶液pH随时间变化的数据。
(1)第一阶段,主要发生析氢腐蚀,Cu上发生的电极反应为_______________
_____。
(2)第二、三阶段主要发生吸氧腐蚀。
①析氧腐蚀时Cu上发生的电极反应为_______________________。
②第一阶段和第二阶段发生不同种类腐蚀的主要影响因素是___________
__________________。
2H++2e-===
H2↑
O2+2H2O+4e-===4OH-
溶液的酸
碱性(或溶液的pH)
Ⅱ.研究铁的防护
(3)在铁表面镀锌可有效防止铁被腐蚀
已知:Zn2+放电的速率缓慢且平稳时有利于得到致密、细腻的镀层。
①镀件Fe应与电源的____相连。
②向ZnSO4电解液中加入NaCN溶液,将Zn2+转化为[Zn(CN)4]2-,电解得到的镀层更加致密、细腻,原因是_____________________________________
___________________________________________________________________________________________________________________________。
负极
通过反应Zn2++4CN- [Zn(CN)4]2-降低
c(Zn2+),使得Zn2+放电速率减缓,同时通过平衡的移动补充放电消耗的Zn2+,使其浓度保持相对稳定,达到放电速率平稳的作用
12.(16分)电化学原理被广泛应用于生产、生活的许多方面,利用电解法脱除煤中的含硫物质(主要是FeS2)的原理如图所示。
(1)阴极石墨棒上有无色气体产生,该气体是______。
解析:由题图可知,阳极石墨棒上,Fe2+发生氧化反应转化为Fe3+,Fe3+和FeS2反应生成Fe2+、S和H+,阴极石墨棒上有无色气体产生,阴极的电极反应为2H++2e-===H2↑,阴极上产生的气体为H2。
(2)阳极的电极反应为________________。
解析:阳极石墨棒上,Fe2+发生氧化反应转化为Fe3+,电极反应为Fe2+-e-===Fe3+。
H2
Fe2+-e-===Fe3+
(3)补全脱硫反应的离子方程式:
解析:由题图可知,Fe3+和FeS2反应生成Fe2+、S和H+,根据质量守恒定律可知,产物H+来自H2O,即该反应的反应物有Fe3+、FeS2和H2O,生成物有Fe2+、S、H+,该反应的离子方程式为FeS2+14Fe3++8H2O===2S
+15Fe2++16H+。
1
14 Fe3+
8 H2O
2
15 Fe2+
16 H+
(4)相同反应时间,FeCl3对脱硫率的影响如图所示。
①电解脱硫过程中,FeCl3的作用是催化剂,结合简单碰撞理论说明使用FeCl3能增大反应速率的原因:______________________________________
__________________________________________________________________________________________________________。
催化剂能改变反应历程,降低FeS2直接在电
极放电反应中的活化能,增大单位体积内反应物分子中活化分子的数目,单位时间内有效碰撞次数增多,反应速率增大
②FeCl3的质量分数大于1.5%时,脱硫率随FeCl3浓度的增大而下降,解释原因:___________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
随着FeCl3浓度的增大,可能发生Fe3+在阴极放电或者Cl-在阳极放电等副反应,导致与FeS2反应的Fe3+浓度减小,脱硫率降低[或随着FeCl3浓度的增大,平衡Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+正向移动,产生更多Fe(OH)3胶体,导致煤浆聚沉,脱硫率降低]
(5)研究发现,电解时若电压过高,阳极有副反应发生,造成电解效率降低。电解效率η的定义:η(B)=×100%。某电压下电解100 mL煤浆-FeCl3-H2SO4混合液,煤浆中除FeS2外不含其他含硫物质,混合液中H2SO4浓度为0.01 mol·L-1,FeCl3的质量分数为1.5%。当阴极收集到224 mL(标准状况)气体时(阴极无副反应发生),测得溶液中c(S)=0.02 mol·L-1,η(S)=______(忽略电解前后溶液的体积变化)。
35%
解析:当阴极收集到224 mL(标准状况)气体时,n(H2)==0.01 mol,根据阴极的电极反应2H++2e-===H2↑可知,通过电极的电子的物质的量为0.02 mol;混合溶液的体积为100 mL,电解前后,Δc(S)=0.02 mol·L-1-0.01 mol·L-1=0.01 mol·L-1,生成的S的物质的量为0.01 mol·L-1×0.1 L=0.001 mol,由FeS2反应生成0.001 mol S转移0.007 mol电子,故η(S)=×100%=35%。
(6)综上,电解法脱硫的优点有______________________________________
________________(写出两点)。
联产高纯H2、Fe3+可循环利用、脱硫速率
大(答案合理即可)
Thank you
本课结束

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