第17讲 电解池 金属的腐蚀与防护(练)教师版

学而优·教有方PAGE1PAGE第17讲电解池金属的腐蚀与防护【练基础】1.下列关于如图电解池工作时的相关叙述正确的是()A．Fe电极作阳极，发生氧化反应B．Cl－向石墨极作定向移动C．石墨电极反应：Fe3＋＋3e－=FeD．电解池发生总反应：2Cl－＋2Fe3＋eq\o(=,\s\up11(电解),\s\do4())Cl2↑＋2Fe2＋【答案】A【解析】A项，电子流出的一极是电源的负极，故Fe连接电源的正极，为阳极，发生氧化反应，正确；B项，电解质溶液中，阴离子向阳极移动，Fe为阳极，Cl－向Fe极作定向移动，错误；C项，石墨电极是电解池的阴极，发生还原反应，电极反应为Fe3＋＋e－=Fe2＋，错误；D项，Fe为阳极，是活性电极，Fe被氧化生成Fe2＋，石墨是电解池的阴极，Fe3＋发生还原反应生成Fe2＋，故电解池发生的总反应：Fe＋2Fe3＋eq\o(=,\s\up11(电解),\s\do4())3Fe2＋，错误。2．四个电解装置都以Pt做电极，它们分别装有如下电解质溶液，电解一段时间后，测定其pH变化，所记录的结果正确的是()选项ABCD电解质溶液HClAgNO3KOHBaCl2pH变化减小增大增大不变【答案】C【解析】电解盐酸，溶质HCl的量减少，溶剂的量不变，所以酸性减弱，pH增大，A项错误；电解硝酸银溶液生成硝酸、金属银和氧气，溶液酸性增强，pH减小，B项错误；电解氢氧化钾溶液的实质是电解水，溶质的量不变，溶剂减少，碱性增强，pH增大，C项正确；电解氯化钡溶液得到氢氧化钡、氢气和氯气，溶液碱性增强，pH增大，D项错误。3．某同学将电解池工作时电子、离子流动方向及电极种类等信息表示在下图中，下列有关分析完全正确的是()选项ABCDa电极阳极阴极阳极阴极d电极正极正极负极负极Q离子阳离子阳离子阴离子阴离子【答案】B【解析】电子从电源的负极流出，故a是阴极，d是正极，溶液中的阳离子Q移向阴极a。4．观察如图装置，下列说法正确的是()A．a、b接电流表，该装置一定为原电池B．a、b接直流电源，该装置一定为电解池C．a、b接直流电源，铁可能不易被腐蚀D．a、b接电流表或接直流电源，铁都可能是负极【答案】C【解析】A项，a、b接电流表，若液体c为非电解质溶液，不满足原电池的构成条件，不能形成原电池，错误；B项，若液体c为非电解质溶液，溶液不导电，所以不能发生电解，即不是电解池，错误；C项，若该装置是电解池，Fe与负极相连时做阴极被保护，即铁可能不易被腐蚀，正确；D项，接直流电源时，该装置可能为电解池，Fe可能做阴极或阳极，错误。5．我国多条高压直流电线路的瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象，在铁帽上加锌环能有效防止铁帽的腐蚀，防护原理如图所示。下列说法错误的是()A．通电时，锌环是阳极，发生氧化反应B．通电时，阴极上的电极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－C．断电时，锌环上的电极反应为Zn2＋＋2e－=ZnD．断电时，仍能防止铁帽被腐蚀【答案】C【解析】锌环与电源的正极相连，为阳极，发生氧化反应，A项正确；断电时，Zn比铁活泼，作负极，电极反应为Zn－2e－=Zn2＋，C项错误。6．在世界海运史上曾发生过这样一个悲剧：一艘名叫“阿那吉纳”号的货轮满载着精铜砂，在向日本海岸行驶时突然发生大面积漏水，最终沉没。坚硬的钢制船体为什么会突然漏水呢？事后的事故调查结果表明导致沉船的原因与船上的精铜砂密切相关。下列对此调查结论的理解正确的是()A．精铜砂装载过多导致沉船B．运输途中铜与空气中的氧气发生氧化反应导致质量增大，超过船的承载能力C．在潮湿的环境中，船体与铜构成了原电池，加速了作为负极的船体的腐蚀D．在潮湿的环境中，船体与铜构成了电解池，钢制船体作为阳极而被氧化腐蚀【答案】C【解析】在潮湿的环境中，Cu、Fe形成原电池加快了轮船的腐蚀。7．如图是某课题组设计的一种利用电解原理制取H2O2并用来处理工业废氨水的装置。为了不影响H2O2的产量，需向废氨水中加入适量硝酸调节溶液的pH约为5。下列说法正确的是()A．阴极的电极反应式为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑B．阳极的电极反应式为O2＋2H＋＋2e－=H2O2C．处理废氨水的过程中所发生的反应为3H2O2＋2NH3·H2O=8H2O＋N2↑D．工作过程中阳极附近溶液的pH逐渐增大【答案】C【解析】根据题给装置图可知，阳极的电极反应式为2H2O－4e－=4H＋＋O2↑，阴极的电极反应式为O2＋2H＋＋2e－=H2O2，故A、B项错误。根据题图可知，H2O2可将NH3·H2O氧化为N2，C项正确。根据电极反应式可知，工作过程中阳极上生成氢离子，所以阳极附近溶液的pH逐渐减小，D项错误。8．电解法精炼含有Fe、Zn、Ag等杂质的粗铜。下列叙述正确的是()A．电解时以硫酸铜溶液做电解液，精铜做阳极B．粗铜与电源负极相连，发生氧化反应C．阴极上发生的反应是Cu2＋＋2e－=CuD．电解后Fe、Zn、Ag等杂质会沉积在电解槽底部形成阳极泥【答案】C【解析】A项，精铜应做阴极；B项，粗铜应做阳极，与电源正极相连；D项，Fe、Zn比Cu活泼，在阳极先放电，不会形成阳极泥。9．科学家采用碳基电极材料设计了一种制取氯气的新工艺方案，装置如图所示。下列说法错误的是()A.反应过程中需要不断补充Fe2＋B．阳极反应式是2HCl－2e－=Cl2↑＋2H＋C．电路中转移1mol电子，消耗标况下氧气5.6LD．电解总反应可看作是4HCl(g)＋O2(g)eq\o(=,\s\up11(电解),\s\do4())2Cl2(g)＋2H2O(g)【答案】A【解析】HCl在阳极失电子，发生氧化反应，生成Cl2和H＋，Fe3＋在阴极得电子，还原成Fe2＋，Fe2＋、H＋、O2反应生成Fe3＋和H2O，Fe2＋、Fe3＋在阴极循环，A错误；HCl在阳极失电子生成Cl2和H＋，电极反应式为2HCl－2e－=Cl2↑＋2H＋，B正确；根据电子得失守恒有O2～4e－，电路中转移1mol电子，消耗0.25mol氧气，标准状况下体积为5.6L，C正确；由图可知，反应物为HCl(g)和O2(g)，生成物为H2O(g)和Cl2(g)，故电解总反应可看作是4HCl(g)＋O2(g)eq\o(=,\s\up7(电解))2Cl2(g)＋2H2O(g)，D正确。10.下列关于如图所示装置说法正确的是()A．装置中电子移动的途径是负极→Fe→M溶液→石墨→正极B．若M为NaCl溶液，通电一段时间后，溶液中可能有NaClOC．若M为FeCl2溶液，可以实现石墨上镀铁D．若M是海水，该装置是通过牺牲阳极的阴极保护法使铁不被腐蚀【答案】B【解析】装置中电子移动的途径是负极→Fe，石墨→正极，电子不能在溶液中传递，A错误；若M为NaCl溶液，通电一段时间后，阴极产生的NaOH与阳极产生的Cl2发生反应生成NaCl和NaClO，所以溶液中可能有NaClO，B正确；若M为FeCl2溶液，石墨为阳极，发生氧化反应，不可能实现石墨上镀铁，C错误；若M是海水，该装置是电解池，是通过外加电流的阴极保护法使铁不被腐蚀，而不是牺牲阳极的阴极保护法，D错误。【练提升】1．利用小粒径零价铁(ZVI)的电化学腐蚀处理三氯乙烯，进行水体修复的过程如图所示。H＋、O2、NOeq\o\al(－,3)等共存物的存在会影响水体修复效果，定义单位时间内ZVI释放电子的物质的量为nt，其中用于有效腐蚀的电子的物质的量为ne。下列说法错误的是()A．反应①②③④均在正极发生B．单位时间内，三氯乙烯脱去amolCl时ne＝amolC．④的电极反应式为NOeq\o\al(－,3)＋10H＋＋8e－=NHeq\o\al(＋,4)＋3H2OD．增大单位体积水体中小粒径ZVI的投入量，可使nt增大【答案】B【解析】A.由修复过程示意图中反应前后元素化合价变化可知，反应①②③④均为得电子的反应，所以应在正极发生；B.三氯乙烯C2HCl3中C原子化合价为＋1价，乙烯中C原子化合价为－2价，1molC2HCl3转化为1molC2H4时，得到6mol电子，脱去3mol氯原子，所以脱去amolCl时ne＝2amol；C.由示意图及N元素的化合价变化可写出如下转化：NOeq\o\al(－,3)＋8e－——NHeq\o\al(＋,4)，由于生成物中有NHeq\o\al(＋,4)，所以只能用H＋和H2O来配平该反应，而不能用H2O和OH－来配平，所以④的电极反应式为NOeq\o\al(－,3)＋10H＋＋8e－=NHeq\o\al(＋,4)＋3H2O；D.增大单位体积水体中小粒径ZVI的投入量，可以增大小粒径ZVI和正极的接触面积，加快ZVI释放电子的速率，可使nt增大。2．以铅蓄电池为电源，通过电解法制备酒石酸(C4H6O6，简写为RH2)的原理如图所示(A、B为惰性电极，a、b为离子交换膜)：下列叙述不正确的是()A．N极的电极反应式为PbO2＋2e－＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋=PbSO4＋2H2OB．b为阳离子交换膜C．阴极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，阴极区溶液pH增大D．铅蓄电池中消耗2molH2SO4时，理论上生成2molRH2【答案】BD【解析】电解的目的为制备RH2，则装置右侧为产品室，若原料室中的R2－通过阴离子交换膜进入产品室与H＋结合，则可制得RH2，所以电极B上应为H2O放电，生成O2和H＋，即电极B为阳极，电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋，b为阴离子交换膜，N为正极，M为负极，电极A为阴极。N为铅蓄电池正极，电极反应式为PbO2＋2e－＋SOeq\o\al(2－,4)＋4H＋=PbSO4＋2H2O，A项正确；根据上述分析可知，b为阴离子交换膜，B项错误；阴极应为H2O放电，生成H2和OH－，故电极反应为2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，OH－浓度增大，pH增大，C项正确；铅蓄电池放电时总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4=2PbSO4＋2H2O，当电池中消耗2molH2SO4时，电路中转移2mole－，根据电极B上的电极反应2H2O－4e－=O2↑＋4H＋可知，转移2mole－，产品室有2molH＋生成，又R2－＋2H＋=RH2，所以理论上可生成1molRH2，D项错误。3.现用Pt电极电解1L浓度均为0.1mol·L－1的HCl、CuSO4的混合溶液，装置如图。下列说法正确的是()A．电解开始时阴极有H2放出B．电解开始时阳极上发生：Cu2＋＋2e－=CuC．当电路中通过电子的量超过0.1mol时，此时阴极放电的离子发生了变化D．整个电解过程中，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do4(4))不参与电极反应【答案】D【解析】依据放电顺序，阴极先放电的是Cu2＋，故阴极开始析出的是Cu，阳极先放电的是Cl－，故阳极开始产生的是Cl2，故A、B错误；由阴极反应Cu2＋＋2e－=Cu，n(Cu2＋)＝0.1mol，当电路中通过电子的量达到0.2mol时，此时Cu2＋消耗完毕，阴极放电离子变为H＋，故C错误；阳极先是Cl－放电，当Cl－消耗完毕，此时H2O电离产生的OH－开始在阳极放电，SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do4(4))不参与电极反应，故D正确。4．如图甲是一种利用微生物将废水中的尿素(H2NCONH2)的化学能直接转化为电能，并生成环境友好物质的装置，同时利用此装置的电能在铁上镀铜，下列说法中正确的是()A．乙装置中溶液颜色会变浅B．铁电极应与Y相连接C．M电极反应式：H2NCONH2＋H2O－6e－=CO2↑＋N2↑＋6H＋D．当N电极消耗0.25mol气体时，铜电极质量减少16g【答案】C【解析】乙装置为电镀装置，电镀液的浓度不变，因此溶液颜色不变，A项错误；电镀时，待镀金属做阴极，与电源负极相连，而N电极上O2转化为H2O发生还原反应，N电极为正极，B项错误；M电极为负极，发生氧化反应：H2NCONH2＋H2O－6e－=CO2↑＋N2↑＋6H＋，C项正确；根据N电极反应式：O2＋4H＋＋4e－=2H2O以及铜电极反应式：Cu－2e－=Cu2＋，各电极上转移电子数相等，可得关系式：O2～2Cu，则当N电极消耗0.25molO2时，铜电极质量减少0.25mol×2×64g·mol－1＝32g，D项错误。5．我国科学家设计了一种太阳能驱动从海水中提取金属锂的装置，示意图如图所示。该装置工作时，下列说法正确的是()A．铜箔上的电势比催化电极上的高B．海水的pH变大C．若转移1mol电子，理论上铜箔增重7gD．固体陶瓷膜可用质子交换膜代替【答案】C【解析】根据海水提取金属锂的装置图知，催化电极上放出气体，为氯离子放电生成氯气，因此催化电极为阳极，则铜箔为阴极，铜箔上的电势比催化电极上的低，故A错误；海水中的锂离子和氯离子放电，海水的pH基本不变，故B错误；根据转移电子数相等，若导线中转移1mol电子，则铜箔上产生1molLi，质量为7g，故C正确；因为催化电极为阳极，放出氯气，铜箔为阴极，形成金属锂，所以固体陶瓷膜为阳离子交换膜，不能用质子交换膜代替，故D错误。6．氢能源是最具应用前景的能源之一，高纯氢的制备是目前的研究热点。可利用太阳能光伏电池电解水制高纯氢，工作示意图如图所示。通过控制开关连接K1和K2，可交替得到H2和O2。下列有关说法错误的是()A．制H2时，开关应连接K1，产生H2的电极反应式是2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－B．当开关连接K2时，电极3的反应式为Ni(OH)2－e－＋OH－=NiO(OH)＋H2OC．当开关连接K2时，电极2作阳极，得到O2D．电极3的作用是分别作阳极材料和阴极材料，利用NiO(OH)和Ni(OH)2的相互转化提供电子转移【答案】B【解析】开关连接K1，电极1为阴极，水得电子生成氢气，产生H2的电极反应式是2H2O＋2e－=H2↑＋2OH－，故A正确；当开关连接K2时，电极3为阴极，发生还原反应，反应式为NiO(OH)＋e－＋H2O=Ni(OH)2＋OH－，故B错误；当开关连接K2时，电极2连接电源正极，电极2作阳极，发生氧化反应得到O2，故C正确；当开关连接K1时，电极3为阳极；开关连接K2时，电极3为阴极；电极3的作用是分别作阳极材料和阴极材料，利用NiO(OH)和Ni(OH)2的相互转化提供电子转移，故D正确。7．(1)铈元素(Ce)是镧系金属中自然丰度最高的一种，常见有＋3、＋4两种价态。雾霾中含有大量的污染物NO，可以被含Ce4＋的溶液吸收，生成NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))、NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(3))(二者物质的量之比为1∶1)。可采用电解法将上述吸收液中的NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))转化为无毒物质，同时再生Ce4＋，其原理如图所示：①Ce4＋从电解槽的________(填字母代号)口流出。②写出阴极的电极反应式：_________________________________________________。(2)如图所示的电解装置，可将雾霾中的NO、SO2转化为硫酸铵，从而实现废气的回收再利用。通入NO的电极反应式为________________；若通入的NO体积为4.48L(标准状况下)，则另外一个电极通入的SO2的质量至少为________g。(3)一种利用H2S电催化制氢并最终制得硫酸的装置如图所示：①b接电源的________(填“正”或“负”)极，阳极的电极反应式为_______________。②写出一个SO2经一步反应转化为H2SO4的化学方程式：__________________________________________________________________________________。【解析】(1)①生成Ce4＋，则Ce3＋－e－=Ce4＋，Ce4＋在阳极生成，从a口流出；②NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))转化为无毒物质，则NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))在阴极得电子，转化为N2，结合电子得失守恒、电荷守恒可得阴极电极反应为2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))＋8H＋＋6e－=N2↑＋4H2O。(2)根据电解装置，NO和SO2转化为硫酸铵，说明NO转化成NHeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do4(4))，即NO在阴极上发生：NO＋6H＋＋5e－=NHeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do4(4))＋H2O；阳极反应式为SO2＋2H2O－2e－=4H＋＋SOeq\o\al(\s\up1(2－),\s\do4(4))，根据得失电子守恒，有关系式2NO～10e－～5SO2，求出SO2的质量为eq\f(4.48×5×64,2×22.4)＝32g。(3)a电极硫化氢转化为二氧化硫，硫元素化合价升高，发生氧化反应，为阳极，①b接电源的负极，阳极的电极反应式为H2S＋2H2O－6e－=SO2＋6H＋。②SO2经一步反应转化为H2SO4的化学方程式：SO2＋H2O2=H2SO4。【答案】(1)①a②2NOeq\o\al(\s\up1(－),\s\do4(2))＋8H＋＋6e－=N2↑＋4H2O(2)NO＋6H＋＋5e－=NHeq\o\al(\s\up1(＋),\s\do4(4))＋H2O32(3)①负H2S＋2H2O－6e－=SO2＋6H＋②SO2＋H2O2=H2SO48．Ⅰ.高铁酸盐在能源、环保等方面有着广泛的用途。高铁酸钾(K2FeO4)不仅是一种理想的水处理剂，而且高铁电池的研制也在进行中。图1是高铁电池的模拟实验装置：(1)该电池放电时正极的电极反应式为_____________________________________。(2)盐桥中盛有饱和KCl溶液，此盐桥中氯离子向________(填“左”或“右”)移动；若用阳离子交换膜代替盐桥，则钾离子向________(填“左”或“右”)移动。(3)图2为高铁电池和常用的高能碱性电池的放电曲线，由此可得出高铁电池的优点有________________________________________________________________________。Ⅱ.电解制取KIO3电解前，先将一定量的精制碘溶于过量氢氧化钾溶液，溶解时发生反应3I2＋6KOH=5KI＋KIO3＋3H2O，将该溶液加入阳极区，另将氢氧化钾溶液加入阴极区，电解槽用水冷却。电解时，阳极上发生反应的电极反应式为_________________________；电解过程中阴极附近溶液pH________(填“变大”“变小”或“不变”)。【解析】Ⅰ.(1)根据题图1可知，该电池中C做正极，正极上FeOeq\o\al(2－,4)发生还原反应：FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2O＋3e－=Fe(OH)3＋5OH－。(3)根据题图2可知，高铁电池具有使用时间长、工作电压稳定的优点。Ⅱ.阳极附近的阴离子有碘离子、碘酸根离子和氢氧根离子，电解过程中阳极上碘离子失去电子生成碘酸根离子，电极反应式为I－＋6OH－－6e－=IOeq\o\al(－,3)＋3H2O；阴极上氢离子放电生成氢气，所以阴极附近水的电离平衡被破坏，溶液中的氢氧根离子浓度增大，pH变大。【答案】Ⅰ.(1)FeOeq\o\al(2－,4)＋4H2O＋3e－=Fe(OH)3＋5OH－(2)右左(3)使用时间长、工作电压稳定Ⅱ.I－＋6OH－－6e－=IOeq\o\al(－,3)＋3H2O变大9．(1)氢碘酸也可以用“电解法”制备，装置如图所示。其中双极膜(BPM)是阴、阳复合膜，在直流电的作用下，阴、阳膜复合层间的H2O解离成H＋和OH－；A、B为离子交换膜。①B膜最佳应选择________。②阳极的电极反应式是____________________________________________________。③少量的I－因浓度差通过BPM膜，若撤去A膜，其缺点是____________________________________________________________________________。(2)利用电化学高级氧化技术可以在电解槽中持续产生·OH，使处理含苯酚(C6H5OH)废水更加高效，装置如下图所示。已知a极主要发生的反应是O2生成H2O2，然后在电解液中产生·OH并迅速与苯酚反应。①b极连接电源的________极(填“正”或“负”)。②a极的电极反应式为______________________________________________________。③除电极反应外，电解液中主要发生的反应方程式有___________________________。【解析】(1)①从图上看，右端的BPM膜和B膜之间产生NaOH，BPM膜提供OH－，B膜最好是Na＋交换膜；②阳极附近溶液为硫酸溶液，水电离出的氢氧根离子失电子，故阳极的电极反应式为2H2O－4e－=O2↑＋4H＋；③A膜应为阳离子交换膜，阳极产生的H＋透过A膜和少量的I－反应得到少量的HI，若撤去A膜，I－会在阳极失电子得到碘单质，沉积在阳极表面，损伤阳极板。(2)①a极主要发生的反应是O2生成H2O2，O元素化合价降低、得到电子、发生还原反应，则a电极为阴极、与电源负极相接，所以b电极为阳极、与电源正极相接；②a电极为阴极，O2得到电子生成H2O2，电解质溶液显酸性，电极反应式为O2＋2e－＋2H＋=H2O2；③H2O2分解产生·OH，化学方程式为H2O2=2·OH，·OH除去苯酚生成无毒的氧化物，该氧化物为CO2，反应的化学方程式为C6H6O＋28·OH=6CO2↑＋17H2O。【答案】(1)①Na＋交换膜②2H2O－4e－=O2↑＋4H＋③I－会在阳极失电子得到碘单质，沉积在阳极表面，损伤阳极板(2)①正②O2＋2e－＋2H＋=H2O2③C6H6O＋28·OH=6CO2↑＋17H2O10．电化学方法是化工生产及生活中常用的一种方法。回答下列问题：(1)二氧化氯(ClO2)为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂。目前已开发出用电解法制取ClO2的新工艺如图所示：①图中用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO2。产生ClO2的电极应连接电源的________(填“正极”或“负极”)，对应的电极反应式为__________________________________________________________________________________________________。②a极区pH________(填“增大”“减小”或“不变”)。③图中应使用________(填“阴”或“阳”)离子交换膜。(2)电解K2MnO4溶液制备KMnO4。工业上，通常以软锰矿(主要成分是MnO2)与KOH的混合物在铁坩埚(熔融池)中混合均匀，小火加热至熔融，即可得到绿色的K2MnO4，化学方程式为________________________________________________________________________。用镍片作阳极(镍不参与反应)，铁板为阴极，电解K2MnO4溶液可制备KMnO4。上述过程用流程图表示如下：则D的化学式为________；阳极的电极反应式为__________________________；阳离子迁移方向是____________________________。(3)电解硝酸工业的尾气NO可制备NH4NO3，其工作原理如图所示：①阴极的电极反应式为___________________________________________________。②将电解生成的HNO3全部转化为NH4NO3，则通入的NH3与实际参加反应的NO的物质的量之比至少为________________。【解析】(1)①根据题意可知，Cl－放