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文档简介

第21讲电能转化为化学能——电解金属的腐蚀与防护复习目标核心素养1.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。能分析、解释电解池的工作原理,能设计简单的电解池。2.了解金属发生电化学腐蚀的本质,知道金属腐蚀的危害。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。1.变化观念与平衡思想:能多角度、动态地分析电解池中发生的反应,并运用电解池原理解决实际问题;认识金属腐蚀在不同条件下,腐蚀的形式不同,发生的电极反应不同。2.证据推理与模型认知:能分析电解池中发生的反应,并运用电解池原理定性分析和定量计算推出合理的结论。考点一电解原理1.电解2.电解池的组成和工作原理(惰性电极电解CuCl2溶液)总反应的离子方程式:Cu2++2Cl-eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())Cu+Cl2↑。3.放电顺序(一般情况下)(1)阴极:Ag+>Fe3+>Cu2+>H+(酸)>Fe2+>Zn2+>H+(水)。(2)阳极:活泼电极>S2->I->Fe2+>Br->Cl->OH->含氧酸根离子>F-。[微思考]根据金属活动性顺序表,Cu和稀H2SO4不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?提示:Cu作阳极,C作阴极,稀H2SO4作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。电解反应式为阳极:Cu-2e-=Cu2+,阴极:2H++2e-=H2↑。总反应式:Cu+2H+eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())Cu2++H2↑。(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)直流电源跟电解池连接后,电子从电源负极流向电解池阳极。()(4)电解稀硫酸制H2、O2时,可用不活泼的铜作阳极。()(5)电解CuCl2溶液,阴极逸出的气体能够使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝色。()(6)电解盐酸、硫酸等溶液,H+放电,溶液的pH均增大。()答案:(1)√(2)√(3)×(4)×(5)×(6)×[典例]在某种光电池中,当光照在表面涂有氯化银的银片上时,发生反应:AgCl(s)eq\o(=,\s\up7(光照),\s\do5())Ag(s)+Cl(AgCl)[Cl(AgCl)表示生成的氯原子吸附在氯化银表面],接着发生反应:Cl(AgCl)+e-=Cl-(aq)+AgCl(s)。如图为用该光电池电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢的装置示意图,下列叙述正确的是()A.光电池工作时,Ag极为电流流出极,发生氧化反应B.制氢装置溶液中K+移向A极C.光电池工作时,Ag电极发生的反应为2Cl--2e-=Cl2↑D.制氢装置工作时,A极的电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-=COeq\o\al(2-,3)+6H2O+N2↑[解析]根据题意,左边装置为原电池,右边装置为电解池,原电池中当光照在表面涂有氯化银的银片上时,发生反应:AgCl(s)eq\o(=,\s\up7(光照),\s\do5())Ag(s)+Cl(AgCl),接着发生反应:Cl(AgCl)+e-=Cl-(aq)+AgCl(s),银上的电极反应为AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl-,得电子发生还原反应,所以银作正极、铂作负极。A.得电子的电极发生还原反应,左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则Ag电极发生还原反应,故A错误;B.左侧Ag电极上得电子作正极、Pt作负极,则连接Ag的电极为阳极、连接Pt的电极为阴极,制取氢气装置溶液中阳离子向阴极移动,所以K+移向B电极,故B错误;C.光电池工作时,Ag电极上AgCl得电子生成Ag,电极反应式为AgCl(s)+e-=Ag(s)+Cl-,故C错误;D.制取氢气装置工作时,A电极为阳极,尿素失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和氮气、水,电极反应式为CO(NH2)2+8OH--6e-=COeq\o\al(2-,3)+N2↑+6H2O,故D正确。[答案]D[延伸探究](1)光电池工作时,Cl-的迁移方向是怎样的?电解池中,溶液中的OH-迁移方向是怎样的?(2)若在B极生成标准状况下224mLH2,则消耗尿素多少克?提示:(1)Ag电极作正极、Pt作负极,Cl-从左侧透过膜迁移至右侧;电解池中OH-从右侧透过膜迁移至左侧。(2)0.2g。由电子守恒得CO(NH2)2~3H2,生成H20.01mol,尿素为0.2g。[对点练1](电解规律)探究电解规律(用惰性电极电解)(1)电解水型①试写出电解下列溶液的电解方程式稀硫酸:;NaOH:;KNO3:。②分析“电解水型”的电解质包括哪些类型:。(2)电解电解质型电解质溶液HBrCuCl2阴极反应①②阳极反应③④电解反应⑤⑥溶液复原加⑦加⑧分析“电解电解质型”的电解质包括哪些类型⑨。(3)放H2生碱型①电解NaCl溶液:阴极反应:;阳极反应:;电解反应离子方程式。电解一段时间后,NaCl溶液恢复原状的方法:。②分析“放H2生碱型”的电解质包括哪些类型:。(4)放O2生酸型①电解CuSO4溶液阴极反应:;阳极反应:;电解反应离子方程式:;电解一段时间后,CuSO4溶液恢复原状的方法。②分析“放O2生酸型”电解质包括哪些类型:。答案:(1)①2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2H2↑+O2↑2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2H2↑+O2↑2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2H2↑+O2↑②含氧酸、强碱和活泼金属的含氧酸盐(2)①2H++2e-=H2↑②Cu2++2e-=Cu③2Br--2e-=Br2④2Cl--2e-=Cl2↑⑤2HBreq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())H2↑+Br2⑥CuCl2eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())Cu+Cl2↑⑦适量HBr⑧适量CuCl2⑨无氧酸(除HF)和不活泼金属的无氧酸盐(除氟化物)(3)①2H++2e-=H2↑2Cl--2e-=Cl2↑2Cl-+2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())Cl2↑+H2↑+2OH-通HCl②活泼金属的无氧酸盐(除氟化物)(4)①2Cu2++4e-=2Cu4OH--4e-=O2↑+2H2O2Cu2++2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2Cu+O2↑+4H+加CuO(或CuCO3)②不活泼金属的含氧酸盐[对点练2](电解产物的判断)用石墨电极完成下列电解实验。实验一实验二装置现象a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生……下列对实验现象的解释或推测不合理的是()A.a、d处:2H2O+2e-=H2↑+2OH-B.b处:2Cl--2e-=Cl2↑C.c处发生了反应:Fe-2e-=Fe2+D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜解析:B根据a、d处试纸变蓝,可判断a、d两点都为电解池的阴极,发生的电极反应为2H2O+2e-=H2↑+2OH-,A选项正确;b处变红,局部褪色,说明b为电解池的阳极,2Cl--2e-=Cl2↑,氯气溶于水生成盐酸和次氯酸:Cl2+H2OHCl+HClO,HCl溶液显酸性,HClO具有漂白性,B选项不正确;c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,发生的电极反应为Fe-2e-=Fe2+,C选项正确;实验一中ac形成电解池,db形成电解池,所以实验二中也形成电解池,铜珠的左端为电解池的阳极,铜失电子生成铜离子,m、n是铜珠的右端,为电解池的阴极,开始时产生气体,后来铜离子移到m处,m处铜离子得到电子生成单质铜,故D选项正确。[对点练3](电解的计算)500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NOeq\o\al(-,3))=0.6mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是()A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·L-1B.上述电解过程中共转移0.2mol电子C.电解得到的Cu的物质的量为0.05molD.电解后溶液中c(H+)为0.2mol·L-1解析:A石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为:4OH--4e-=2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:Cu2++2e-=Cu,2H++2e-=H2↑。从收集到O2为2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子,而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2mol=0.2mol电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。电解前后分别有以下守恒关系:c(K+)+2c(Cu2+)=c(NOeq\o\al(-,3)),c(K+)+c(H+)=c(NOeq\o\al(-,3)),不难算出:电解前c(K+)=0.2mol·L-1,电解后c(H+)=0.4mol·L-1。[练后归纳]电化学综合计算的三种常用方法(1)根据总反应式计算先写出电极反应式,再写出总反应式,最后根据总反应式列出比例式计算。(2)根据电子守恒计算①用于串联电路中阴阳两极产物、正负两极产物、相同电量等类型的计算,其依据是电路中转移的电子数相等。②用于混合溶液中电解的分阶段计算。(3)根据关系式计算根据得失电子守恒定律建立起已知量与未知量之间的桥梁,构建计算所需的关系式。如以通过4mole-为桥梁可构建如下关系式:4e-~2Cl2(Br2、I2)~O2~2H2~2Cu~4Ag~eq\f(4,n)M阳极产物阴极产物(式中M为金属,n为其离子的化合价数值)该关系式具有总揽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。在电化学计算中,还常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。考点二电解原理的应用1.电解饱和食盐水(1)电极反应阳极:2Cl--2e-=Cl2↑(反应类型:氧化反应),阴极:2H++2e-=H2↑(反应类型:还原反应)。(2)总反应离子方程式:2Cl-+2H2Oeq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2OH-+H2↑+Cl2↑。(3)应用:氯碱工业制烧碱、氢气和氯气装置离子交换膜电解槽阳极钛网(涂有钛、钌等氧化物涂层)阴极碳钢网阳离子交换膜①只允许阳离子通过,能阻止阴离子和气体通过②将电解槽隔成阳极室和阴极室[微思考]氯碱工业中,阳离子交换膜的作用是什么?提示:只允许阳离子通过,阻碍Cl2分子、阴离子通过。2.电镀铜3.电解精炼铜(1)电极材料:阳极为粗铜;阴极为纯铜。(2)电解质溶液:含Cu2+的盐溶液。(3)电极反应:阳极:Zn-2e-=Zn2+、Fe-2e-=Fe2+、Ni-2e-=Ni2+、Cu-2e-=Cu2+;阴极:Cu2++2e-=Cu。4.电冶金(1)冶炼钠电解方程式:2NaCl(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5())2Na+Cl2↑阳极:2Cl--2e-=Cl2↑;阴极:2Na++2e-=2Na。(2)冶炼铝电解方程式:2Al2O3(熔融)eq\o(=,\s\up7(电解),\s\do5(冰晶石))4Al+3O2↑阳极:6O2--12e-=3O2↑;阴极:4Al3++12e-=4Al。(1)在镀件上电镀铜时,也可以用惰性材料作阳极,用硫酸铜溶液作电解液。()(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料。()(3)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变。()(4)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3。()(5)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料。()(6)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌。()答案:(1)√(2)×(3)×(4)×(5)√(6)×[典例]用铁和石墨作电极电解酸性废水,可将废水中的POeq\o\al(3-,4)以FePO4(不溶于水)的形式除去,其装置如图所示:下列说法正确的是()A.若X、Y电极材料连接反了,仍可将废水中的POeq\o\al(3-,4)以FePO4的形式除去B.X极为石墨,该电极上发生氧化反应C.电解过程中Y极周围溶液的pH减小D.电解时废水中会发生反应:4Fe2++O2+4H++4POeq\o\al(3-,4)=4FePO4↓+2H2O[解析]A.根据题意分析可知,X电极材料为铁,Y电极材料为石墨。若X、Y电极材料连接反了,铁就不能失电子变为离子,也就不能生成FePO4,A项错误;B.Y极为石墨,该电极上发生还原反应,B项错误;C.电解过程中Y极发生的电极反应为2H++2e-=H2↑,氢离子浓度减小,溶液的pH变大,C项错误;D.铁在阳极失电子变为Fe2+,通入的氧气把Fe2+氧化为Fe3+,Fe3+与POeq\o\al(3-,4)反应生成FePO4沉淀,D项正确。[答案]D[延伸探究](1)根据题目分析电解除磷时为什么用铁作阳极?(2)用铁作电极,利用如图所示装置除去含CN-、Cl-废水中的CN-时,控制溶液pH为9~10,CN-与阳极产生的ClO-反应生成无污染的气体。思考在该装置中铁应该作什么电极?提示:(1)阳极在直流电源作用下电解产生Fe2+,Fe2+可进一步被氧化生成Fe3+,提供能与磷酸根结合生成沉淀的阳离子。(2)阳极产生ClO-,发生的反应为Cl-+2OH--2e-=ClO-+H2O,所以铁电极作阴极。[对点练1](电解原理的常规应用)某小组为研究电化学原理,设计如图所示装置,下列叙述正确的是()A.若a和b为石墨,通电后a极上反应为2Cl--2e-=Cl2↑B.若a和b为石墨,通电后b极上发生氧化反应C.若a为铜,b为铁,通电后a极质量增加D.若a为铁,b为铜,通电后Cu2+向铁电极移动解析:A石墨是惰性电极,a极与电源的正极相连,作电解池的阳极,通电后a极上发生氧化反应,电极反应式为2Cl--2e-=Cl2↑,A正确;b极与电源的负极相连,作电解池的阴极,通电后发生还原反应,B错误;Cu是活性电极,若a为铜,通电后a极的反应式为Cu-2e-=Cu2+,则a极质量减小,C错误;电解池的电解质溶液中,阳离子向阴极移动,若a为铁,b为铜,则通电后Cu2+向Cu电极移动,D错误。[对点练2](应用电解原理制备新物质)氧化亚铜可作杀菌剂、陶瓷和搪瓷的着色剂、红色玻璃染色剂,电解法制备氧化亚铜的原理如图所示,下列说法不正确的是()A.理论上,除铜电极外,只需对电解液补充水,电解便可持续进行B.溶液中生成Cu2O的离子方程式为2CuCleq\o\al(2-,3)+H2O=Cu2O↓+6Cl-+2H+C.N极为阳极电极反应式为Cu-e-+3Cl-=CuCleq\o\al(2-,3)D.M与电源的负极相连,发生还原反应解析:B由图示可知电解池的总反应为2Cu+H2Oeq\o(=,\s\up7(通电),\s\do5())Cu2O+H2↑,因此理论上,除铜电极外,只需对电解液补充水,电解便可连续进行,A正确;溶液中生成Cu2O的离子方程式为2CuCleq\o\al(2-,3)+2OH-=Cu2O+6Cl-+H2O,B错误;N极为阳极电极反应式为Cu-e-+3Cl-=CuCleq\o\al(2-,3),C正确;M为阴极,与电源负极相连,发生还原反应,D正确。[对点练3](应用电解原理治理污染)用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如图所示(电极材料为石墨)。(1)图中a极要连接电源的(填“正”或“负”)极,C口流出的物质是。(2)SOeq\o\al(2-,3)放电的电极反应式为。(3)电解过程中阴极区碱性明显增强,用平衡移动原理解释原因。解析:根据Na+、SOeq\o\al(2-,3)的移向判断阴、阳极。Na+移向阴极区,a应接电源负极,b应接电源正极,其电极反应式分别为阳极:SOeq\o\al(2-,3)-2e-+H2O=SOeq\o\al(2-,4)+2H+阴极:2H++2e-=H2↑所以从C口流出的是H2SO4,在阴极区,由于H+放电,破坏水的电离平衡,c(H+)减小,c(OH-)增大,生成NaOH,碱性增强,从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。答案:(1)负硫酸(2)SOeq\o\al(2-,3)-2e-+H2O=SOeq\o\al(2-,4)+2H+(3)H2OH++OH-,在阴极H+放电生成H2,c(H+)减小,水的电离平衡正向移动,碱性增强考点三金属的腐蚀与防护1.金属腐蚀的概念金属表面与周围的物质发生氧化还原反应而遭到破坏的现象。2.化学腐蚀与电化学腐蚀类型化学腐蚀电化学腐蚀反应物金属、干燥的气体或非电解质不纯金属、电解质溶液反应类型直接发生化学反应原电池反应有无电流产生无有实质金属原子失电子被氧化3.电化学腐蚀的分类(钢铁腐蚀)类型析氢腐蚀吸氧腐蚀水膜性质酸性弱酸性、中性或碱性负极反应Fe-2e-=Fe2+正极反应2H++2e-=H2↑2H2O+O2+4e-=4OH-总反应Fe+2H+=Fe2++H2↑2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2联系吸氧腐蚀比析氢腐蚀更普遍4.金属的防护(1)牺牲阳极保护法利用原电池原理。(2)外加电流保护法利用电解池原理。(3)改变金属内部结构→如制成不锈钢。(4)加保护层→如电镀、喷漆、覆膜等。(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+。()(4)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。()(5)若在海轮外壳上附着一些铜块,则可以减缓海轮外壳的腐蚀。()(6)铁表面镀锌可增强其抗腐蚀性。()答案:(1)×(2)×(3)×(4)×(5)×(6)√[典例]将金属M连接在钢铁设施表面,可减缓水体中钢铁设施的腐蚀。在下图所示的情境中,下列有关说法正确的是()A.钢铁设施表面的电极反应式为Fe-2e-=Fe2+B.金属M的活动性比Fe的活动性弱C.钢铁设施表面因积累大量电子而被保护D.钢铁设施在河水中的腐蚀速率比在海水中的快[解析]该装置为原电池原理的金属防护措施,为牺牲阳极保护法,金属M作负极,钢铁设备作正极。A.图中钢铁设施作原电池的正极,正极金属被保护不失电子,A项错误;B.阳极金属M实际为原电池装置的负极,电子流出,原电池中负极金属比正极活泼,因此M活动性比Fe的活动性强,B项错误;C.金属M失电子,电子经导线流入钢铁设备,从而使钢铁设施表面积累大量电子,自身金属不再失电子从而被保护,C项正确;D.海水中的离子浓度大于河水中的离子浓度,离子浓度越大,溶液的导电性越强,因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中快,D项错误。[答案]C[链接教材]鲁科版选择性必修1教材P33:用牺牲阳极保护法保护金属船体和铁管道:将活泼性较强的金属作为保护极,与被保护金属相连构成原电池,活泼性较强的金属将作为负极反应物发生氧化反应而损耗,被保护金属作为正极材料就可以避免被腐蚀。人们在航海船只的船底四周镶嵌锌块,就是利用了牺牲阳极保护法来保护金属船体。[创新命题](1)为了减小某水库的铁闸门被腐蚀的速率,连接在铁闸门上的固体材料可以采用(填写字母序号)。A.铜 B.钠C.锌 D.石墨(2)如图所示的方案也可以减小铁闸门的腐蚀速率,其中铁闸门应该连接在直流电源的极。(3)在海洋工程上,通常用铝合金(Al—Zn—Cd)保护海底钢铁设施,其中负极发生的电极反应为;在实际应用中,用铝合金而不选用纯铝,纯铝不能很好地起到保护作用,其原因是。答案:(1)C(2)负(3)Al-3e-=Al3+铝表面易被氧化,生成一层致密而坚固的氧化物薄膜,使金属铝呈现“惰性”[对点练1](析氢腐蚀和吸氧腐蚀的判断)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是()A.图1中,铁钉易被腐蚀B.图2中,滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,没有蓝色沉淀出现C.图3中,燃气灶的中心部位容易生锈,主要是由于高温下铁发生化学腐蚀D.图4中,用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁输水管的腐蚀,镁块相当于原电池的正极解析:C浓硫酸从环境中吸收水分,使铁钉周围的空气比较干燥,因此铁钉不易腐蚀,A项错误;Fe、Cu与酸化的3%NaCl溶液构成原电池,Fe作负极,发生失去电子的氧化反应,有Fe2+生成,因此滴加少量K3[Fe(CN)6]溶液,有蓝色沉淀出现,B项错误;燃气灶的中心部位容易生锈,主要是由于高温下铁发生化学腐蚀,C项正确;用牺牲镁块的方法来防止地下钢铁输水管的腐蚀,镁块相当于原电池的负极,D项错误。[对点练2](金属腐蚀快慢比较)相同材质的铁在下列情形下最不易被腐蚀的是()解析:CA、D均可由Fe、Cu构成原电池而加速铁的腐蚀;在B中,食盐水提供电解质溶液环境,炒锅和铁铲都是铁碳合金,符合原电池形成的条件,铁是活泼金属作负极,碳作正极,Fe易被腐蚀;C中铜镀层把铁完全覆盖,构不成原电池而不被腐蚀。[对点练3](金属腐蚀防护措施的设计与选择)港珠澳大桥设计使用寿命为120年,对桥体钢构件采用了多种防腐方法。下列分析错误的是()A.防腐原理主要是避免发生反应:2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2B.钢构件表面喷涂环氧树脂涂层,是为了隔绝空气、水等防止形成原电池C.采用外加电流保护法时需外接镁、锌等作辅助阳极D.钢构件可采用不锈钢材料以减缓电化学腐蚀解析:C该桥体钢构件主要发生吸氧腐蚀,吸氧腐蚀的总反应为2Fe+2H2O+O2=2Fe(OH)2,防腐原理主要是避免发生该反应,A项正确;钢构件表面喷涂环氧树脂涂层,目的是将钢构件与空气、水隔绝,防止形成原电池,发生吸氧腐蚀,B项正确;采用牺牲阳极的保护法时需外接镁、锌等作辅助阳极,C项错误;钢构件采用不锈钢,可以减缓电化学腐蚀,D项正确。[练后归纳](1)判断析氢腐蚀与吸氧腐蚀的依据:正确判断“介质”溶液的酸碱性是分析析氢腐蚀和吸氧腐蚀的关键。潮湿的空气、中性溶液发生吸氧腐蚀;NH4Cl溶液、稀H2SO4等酸性溶液发生析氢腐蚀。(2)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率的快慢:电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。(3)外加电流的保护法保护效果大于牺牲阳极的保护法。离子交换膜是一种含离子基团的、对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。因它对离子具有选择透过性,且电化学性能优良。由于离子交换膜能将工业生产与化学知识有机的融合,实现资源的最优配置,考查学生的学以致用能力,故近几年的电化学高考试题中年年涉及。1.离子交换膜的类型种类允许通过的离子及移动方向说明阳离子交换膜阳离子→移向电解池的阴极或原电池的正极阴离子和气体不能通过阴离子交换膜阴离子→移向电解池的阳极或原电池的负极阳离子和气体不能通过质子交换膜质子→移向电解池的阴极或原电池的正极只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过注意:离子交换或迁移依据电荷守恒,离子迁移数目不一定相同。2.离子交换膜的作用(1)选择性透过离子,平衡电荷,形成闭合回路。(2)隔离某些分子和离子,防止副反应。(3)应用于制备物质、分离物质等。[典例](2020·山东卷,10)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,用如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1mol电子时,模拟海水理论上除盐58.5gD.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[解析]根据题意可知,A项正确;该电池工作时,Cl-向a极移动,Na+向b极移动,即隔膜1为阴离子交换膜,隔膜2为阳离子交换膜,B项错误;电路中转移1mol电子时,向a极和b极分别移动1molCl-和1molNa+,则模拟海水理论上可除盐58.5g,C项正确;电池工作时负极产生CO2,正极产生H2,结合正、负极的电极反应知,一段时间后,正极和负极产生气体的物质的量之比为2∶1,D项正确。[答案]B[模型构建]含离子交换膜电化学装置题的解题步骤1.锂/氟化碳电池稳定性很高。该电池的电解质溶液为LiClO4的乙二醇二甲醚溶液,总反应为xLi+CFx=xLiF+C,放电产物LiF沉积在正极,工作原理如图所示。下列说法正确的是()A.正极的电极反应式为CFx+xe-+xLi+=xLiF+CB.离子交换膜为阴离子交换膜C.电解质溶液可用LiClO4的乙醇溶液代替D.a极电势高于b极电势解析:A根据总反应可知,Li为负极,石墨棒为正极,正极上CFx转化为C,电极反应式为CFx+xe-+xLi+=xLiF+C,A项正确;根据正极的电极反应式可知,负极区的Li+通过离子交换膜进入正极区,则离子交换膜为阳离子交换膜,B项错误;Li能与乙醇发生反应,因此电解质溶液不能用LiClO4的乙醇溶液代替,C项错误;b极为正极,a极为负极,故b极电势高于a极电势,D项错误。2.用电解法可提纯含有某种含氧酸根杂质的粗KOH溶液,其工作原理如图所示。下列有关说法错误的是()A.阳极反应式为4OH--4e-=2H2O+O2↑B.通电后阴极区溶液pH会增大C.K+通过交换膜从阴极区移向阳极区D.纯净的KOH溶液从b口导出解析:C阳极区为粗KOH溶液,阳极上OH-失电子发生氧化反应:4OH--4e-=2H2O+O2↑,A项正确;阴极上H2O得电子发生还原反应:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,阴极区附近溶液中c(OH-)增大,pH增大,B项正确;电解时阳离子向阴极移动,故K+通过阳离子交换膜从阳极区移向阴极区,C项错误;阴极区生成KOH,故纯净的KOH溶液从b口导出,D项正确。3.二氧化氯(ClO2)是国际上公认的高效、广谱、安全的杀菌消毒剂,如图是用石墨做电极通过电解法制取ClO2的工艺。下列说法正确是()A.电极A接电源的负极B.ClO2为阳极产物C.阴极溶液的pH将减小D.阴极产生224mL气体时,通过阳离子交换膜的阳离子数为0.02NA解析:B由钠离子的移动方向可知,电极A为电解池的阳极,故A错误;氯离子在阳极上失去电子发生氧化反应生成二氧化氯,电极反应式为Cl--5e-+2H2O=ClO2↑+4H+,故B正确;电极B为阴极,水在阴极上得到电子发生还原反应生成氢气和氢氧根离子,电极反应式为2H2O+2e-=H2↑+2OH-溶液的pH增大,故C错误;缺标准状况,无法计算阴极产生224mL氢气的物质的量,无法计算通过阳离子交换膜的阳离子数,故D错误。4.一种流体电解海水提锂的工作原理如下图所示,中间室辅助电极材料(LiMn2O4/Li1-xMn2O4)具有选择性电化学吸附/脱出锂离子功能。工作过程可分为两步,第一步为选择性吸附锂,第二步为释放锂,通过以上两步连续的电解过程,锂离子最终以LiOH的形式被浓缩到阴极室。下列说法中错误的是()A.第一步接通电源1选择性提取锂:第二步接通电源2释放锂B.释放锂过程中,中间室材料应接电源负极,发生的电极反应式为LiMn2O4-xe-=Li1-xMn2O4+xLi+C.中间室两侧的离子交换膜选用阳离子交换膜D.当阴极室得到4.8gLiOH时,理论上阳极室产生1.12L气体(标准状态下)解析:B第一步接通电源1,中间室为阴极,发生反应Li1-xMn2O4+xe-+xLi+→LiMn2O4,选择性提取锂,第二步接通电源2,中间室为阳极,发生反应LiMn2O4-xe-→Li1-xMn2O4+xLi+释放锂,故A正确;释放锂过程中,中间室材料应接电源正极做阴极,发生的电极反应式为LiMn2O4-xe-=Li1-xMn2O4+xLi+,故B错误;根据图示,第一步为选择性吸附锂过程中阳极室中的阳离子向中间室移动,第二步为释放锂的过程中锂离子移向阴极室,所以中间室两侧的离子交换膜选用阳离子交换膜,故C正确;当阴极室得到4.8gLiOH时,电路中转移0.2mol电子,阳极室电极反应式是2H2O-4e-=4H++O2↑,产生氧气的体积是eq\f(0.2,4)×22.4=1.12L气体(标准状况下),故D正确。5.双极膜由阳离子交换膜、催化剂层和阴离子交换膜组合而成,在直流电场作用下可将水解离,在双极膜的两侧分别得到H+和OH-,将其与阳离子交换膜(阳膜)、阴离子交换膜(阴膜)组合,可有多种应用。(1)海水淡化:模拟海水淡化,双极膜组合电解装置示意图如下。①X极是极(填“阴”或“阳”)。②电解后可获得较浓的盐酸和较浓的NaOH溶液,图甲中双极膜的右侧得到的是(填“H+”或“OH-”)。(2)钠碱循环法脱除烟气中的SO2,并回收SO2:用pH>8的Na2SO3溶液作吸收液,脱除烟气中的SO2,至pH<6时,吸收液的主要成分为NaHSO3,需再生。Ⅰ.加热pH<6时的吸收液使其分解,回收SO2并再生吸收液。所得的再生吸收液对SO2的吸收率降低,结合离子方程式解释原因:。Ⅱ.双极膜和阴膜组合电渗析法处理pH<6时的吸收液,可直接获得再生吸收液和含较高浓度HSOeq\o\al(-,3)的溶液,装置示意图如图乙。①再生吸收液从室流出(填“A”或“B”)。②简述含较高浓度HSOeq\o\al(-,3)的溶液的生成原理:。③与Ⅰ中的方法相比,Ⅱ中的优点是(列出2条)。解析:(1)①根据题图甲,X极OH-失电子发生氧化反应生成氧气,所以X极是阳极;②Y极H+得电子生成H2,说明Y极为阴极,电解质溶液中阳离子移向阴极,所以双极膜的右侧得到的是H+。(2)Ⅰ.加热pH<6时的吸收液,分解的过程中SOeq\o\al(2-,3)会被空气中的氧气氧化,发生反应:2SOeq\o\al(2-,3)+O2=2SOeq\o\al(2-,4),2HSOeq\o\al(-,3)+O2=2SOeq\o\al(2-,4)+2H+,且加热加快化学反应速率,造成再生吸收液中c(SOeq\o\al(2-,3))降低,使SO2的吸收率降低。Ⅱ.①右侧电极为阴极,阴极氢离子得电子生成氢气,生成的OH-进入B室,OH-和HSOeq\o\al(-,3)反应生成SOeq\o\al(2-,3),直接获得再生吸收液;②A室中经过双极膜迁移过来的H+和SOeq\o\al(2-,3)反应生成HSOeq\o\al(-,3),提高HSOeq\o\al(-,3)的浓度。答案:(1)①阳②H+(2)Ⅰ.加热pH<6时的吸收液,分解的过程中还发生反应:2SOeq\o\al(2-,3)+O2=2SOeq\o\al(2-,4),2HSOeq\o\al(-,3)+O2=2SOeq\o\al(2-,4)+2H+,且加热加快化学反应速率,造成再生吸收液中c(SOeq\o\al(2-,3))降低,使SO2的吸收率降低Ⅱ.①B②B室中的SOeq\o\al(2-,3)和HSOeq\o\al(-,3)在电场作用下通过阴膜进入A室,A室中通过双极膜的H+和溶液中的SOeq\o\al(2-,3)反应生成HSOeq\o\al(-,3),提高HSOeq\o\al(-,3)的浓度③Ⅱ中可直接获得再生吸收液,减少因加热氧化生成大量的SOeq\o\al(2-,4),而降低再生吸收液对SO2的吸收率;Ⅱ中可获得含较高浓度的HSOeq\o\al(-,3)的溶液,进而获得比Ⅰ中浓度高的SO21.(2021·全国乙卷,12)沿海电厂采用海水为冷却水,但在排水管中生物的附着和滋生会阻碍冷却水排放并降低冷却效率,为解决这一问题,通常在管道口设置一对惰性电极(如图所示),通入一定的电流。下列叙述错误的是()A.阳极发生将海水中的Cl-氧化生成Cl2的反应B.管道中可以生成氧化灭杀附着生物的NaClOC.阴极生成的H2应及时通风稀释安全地排入大气D.阳极表面形成的Mg(OH)2等积垢需要定期清理解析:D海水中除了水,还含有大量的Na+、Cl-、Mg2+等,根据题干信息可知,装置的原理是利用惰性电极电解海水,阳极区溶液中的Cl-会优先失电子生成Cl2,阴极区H2O优先得电子生成H2和OH-,结合海水成分及电解产物分析解答。A.根据分析可知,阳极区海水中的Cl-会优先失去电子生成Cl2,发生氧化反应,A正确;B.设置的装置为电解池原理,根据分析知,阳极区生成的Cl2与阴极区生成的OH-在管道中会发生反应生成NaCl、NaClO和H2O,其中NaClO具有强氧化性,可氧化灭杀附着的生物,B正确;C.因为H2是易燃性气体,所以阴极区生成的H2需及时通风稀释安全地排入大气,以排除安全隐患,C正确;D.阴极的电极反应式为:2H2O+2e-=H2↑+2OH-,会使海水中的Mg2+沉淀积垢,所以阴极表面会形成Mg(OH)2等积垢需定期清理,D错误。2.(2021·全国甲卷,13)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2mol乙醛酸,理论上外电路中迁移了1mol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解析:DA.KBr在上述电化学合成过程中除作电解质外,同时还是电解过程中阳极的反应物,生成的Br2为乙二醛制备乙醛酸的中间产物,故A错误;B.阳极上为Br-失去电子生成Br2,Br2将乙二醛氧化为乙醛酸,故B错误;C.电解过程中阴阳极均生成乙醛酸,1mol乙二酸生成1mol乙醛酸转移电子为2mol,1mol乙二醛生成1mol乙醛酸转移电子为2mol,根据转移电子守恒可知每生成1mol乙醛酸转移电子为1mol,因此制得2mol乙醛酸时,理论上外电路中迁移了2mol电子,故C错误;D.由上述分析可知,双极膜中间层的H+在外电场作用下移向阴极,即H+移向铅电极,故D正确。3.(2021·广东卷,16)钴(Co)的合金材料广泛应用于航空航天、机械制造等领域。如图为水溶液中电解制备金属钴的装置示意图。下列说法正确的是()A.工作时,Ⅰ室和Ⅱ室溶液的pH均增大B.生成1molCo,Ⅰ室溶液质量理论上减少16gC.移除两交换膜后,石墨电极上发生的反应不变D.电解总反应:2Co2++2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电),\s\do5())2Co+O2↑+4H+解析:D由图可知,该装置为电解池,石墨电极为阳极,水在阳极失去电子发生氧化反应生成氧气和氢离子,电极反应式为2H2O-4e-=O2↑+4H+,Ⅰ室中阳离子电荷数大于阴离子电荷数,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动,钴电极为阴极,钴离子在阴极得到电子发生还原反应生成钴,电极反应式为Co2++2e-=Co,Ⅲ室中阴离子电荷数大于阳离子电荷数,氯离子过阴离子交换膜由Ⅲ室向Ⅱ室移动,电解的总反应的离子方程式为2Co2++2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电),\s\do5())2Co+O2↑+4H+。A.由分析可知,放电生成的氢离子通过阳离子交换膜由Ⅰ室向Ⅱ室移动,使Ⅱ室中氢离子浓度增大,溶液pH减小,故A错误;B.由分析可知,阴极生成1molCo,阳极有1mol水放电,则Ⅰ室溶液质量减少18g,故B错误;C.若移除离子交换膜,氯离子的放电能力强于水,氯离子会在阳极失去电子发生氧化反应生成氯气,则移除离子交换膜,石墨电极的电极反应会发生变化,故C错误;D.由分析可知,电解的总反应的离子方程式为2Co2++2H2Oeq\o(=,\s\up7(通电),\s\do5())2Co+O2↑+4H+,故D正确。4.(2020·山东卷,13)采用惰性电极,以去离子水和氧气为原料通过电解法制备双氧水的装置如图所示。忽略温度变化的影响,下列说法错误的是()A.阳极反应为2H2O-4e-=4H++O2↑B.电解一段时间后,阳极室的pH未变C.电解过程中,H+由a极区向b极区迁移D.电解一段时间后,a极生成的O2与b极反应的O2等量解析:DA.由题图分析a极是阳极,属于放氧生酸型的电解,所以阳极的反应式为2H2O-4e-=4H++O2↑,故A正确;B.电解时阳极产生氢离子,氢离子

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