2014高考化学考前押题:电化学
[考纲要求] 1.了解原电池和电解池的工 ( http: / / www.21cnjy.com )作原理,能写出电极反应式和电池反应方程式。2.了解常见化学电源的种类及其工作原理。3.理解金属发生电化学腐蚀的原因、金属腐蚀的危害、防止金属腐蚀的措施。
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考点一 盐桥问题面面观
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1. 电化学装置中都有两个电极,分别发生氧 ( http: / / www.21cnjy.com )化反应与还原反应。若两个电极插在同一电解质溶液的容器内,则由于阴阳离子的移动速率不同而导致两极之间出现浓度差,以及因电极本身直接与离子反应而导致两极之间电势差变小,影响了电流的稳定。为解决这个问题,人们使用了盐桥。盐桥主要出现在原电池中,有时也可在电解池中出现,其主要作用就是构建闭合的内电路,但不影响反应的实质。盐桥内常为饱和氯化钾、硝酸钾等溶液。
2. 盐桥是新课改教材中出现的新名词,因而 ( http: / / www.21cnjy.com )围绕盐桥的电化学知识已成为新课改地区命题的一个热点,所以有必要分析研究盐桥问题的考查思路。常从以下四方面命题。
(1)考查盐桥的作用;
(2)考查含盐桥的电化学总反应式的书写;
(3)考查盐桥内溶液离子的移动方向;
(4)考查含盐桥的电化学装置的设计。
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题组一 明确原理,设计装置
1. 根据下图,下列判断中正确的是 ( )
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A.烧杯a中的溶液pH降低
B.烧杯b中发生氧化反应
C.烧杯a中发生的反应为2H++2e-===H2
D.烧杯b中发生的反应为2Cl--2e-===Cl2
答案 B
解析 由题给原电池装置可知 ( http: / / www.21cnjy.com ),电子经过导线,由Zn电极流向Fe电极,则O2在Fe电极发生还原反应:O2+2H2O+4e-===4OH-,烧杯a中c(OH-)增大,溶液的pH升高。烧杯b中,Zn发生氧化反应:Zn-2e-===Zn2+。
2. (2)能量之间可相互转化:电解 ( http: / / www.21cnjy.com )食盐水制备Cl2是将电能转化为化学能,而原电池可将化学能转化为电能。设计两种类型的原电池,探究其能量转化效率。限选材料:ZnSO4(aq),FeSO4(aq),CuSO4(aq);铜片,铁片,锌片和导线。
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①完成原电池甲的装置示意图(见上图),并作相应标注,要求:在同一烧杯中,电极与溶液含相同的金属元素。
②以铜片为电极之一,CuSO4(aq)为电解质溶液,只在一个烧杯中组装原电池乙,工作一段时间后,可观察到负极__________。
③甲乙两种原电池可更有效地将化学能 ( http: / / www.21cnjy.com )转化为电能的是________,其原因是________________________________________________________________________。
(3)根据牺牲阳极的阴极保护法原理,为减缓电解质溶液中铁片的腐蚀,在(2)的材料中应选__________作阳极。
答案 (2)① HYPERLINK "http://www.21cnjy.com" (或其他合理答案)
②电极逐渐溶解,表面有红色固体析出
③甲 在甲装置中,负极不和Cu2+接触,避免了Cu2+直接与负极发生反应而使化学能转化为热能
(3)锌片
解析 (2)①根据题给条件和原电池的构成条件可得:
a.若用Zn、Cu、CuSO4(a ( http: / / www.21cnjy.com )q)、ZnSO4(aq)组成原电池,Zn作负极,Cu作正极,Zn插入到ZnSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
b.若用Fe、Cu、FeSO4(aq)、Cu ( http: / / www.21cnjy.com )SO4(aq)组成原电池,Fe作负极,Cu作正极,Fe插入到FeSO4(aq)中,Cu插入到CuSO4(aq)中。
c.注意,画图时要注意电极名称,电极材料,电解质溶液名称(或化学式),并形成闭合回路。
②由于金属活动性Zn>Fe ( http: / / www.21cnjy.com )>Cu,锌片或铁片作负极,由于Zn或Fe直接与CuSO4溶液接触,工作一段时间后,负极逐渐溶解,表面有红色固体析出。
③带有盐桥的甲原电池中负 ( http: / / www.21cnjy.com )极没有和CuSO4溶液直接接触,二者不会直接发生置换反应,化学能不会转化为热能,几乎全部转化为电能;而原电池乙中的负极与CuSO4溶液直接接触,两者会发生置换反应,部分化学能转化为热能,化学能不可能全部转化为电能。
(3)由牺牲阳极的阴极保护法可得,铁片 ( http: / / www.21cnjy.com )作正极(阴极)时被保护,作负极(阳极)时被腐蚀,所以应选择比铁片更活泼的锌作负极(阳极)才能有效地保护铁不被腐蚀。
方法归纳
1. 工作原理
原电池的闭合回路有外电路与内电路之分, ( http: / / www.21cnjy.com )外电路的电流是从正极流向负极,内电路是从负极流向正极,故内电路中的阳离子移向正极、阴离子移向负极。(盐桥中的阳离子移向正极区,阴离子移向负极区,以维持电荷守恒)。
2. 设计思路
首先根据离子方程式判断出氧化剂、还 ( http: / / www.21cnjy.com )原剂,明确电极反应。然后再分析两剂状态确定电极材料,若为固态时可作电极,若为溶液时则只能作电解液。然后补充缺少的电极材料及电解液。电极材料一般添加与电解质溶液中阳离子相同的金属作电极(使用惰性电极也可),电解液则是一般含有与电极材料形成的阳离子相同的物质。最后再插入盐桥即可。
题组二 “盐桥”的作用与化学平衡的移动
3. 控制适合的条件,将反应2Fe3++ ( http: / / www.21cnjy.com )2I-??2Fe2++I2设计成如下图所示的原电池。下列判断不正确的是 ( )
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A.反应开始时,乙中石墨电极上发生氧化反应
B.反应开始时,甲中石墨电极上Fe3+被还原
C.电流计读数为零时,反应达到化学平衡状态
D.电流计读数为零后,在甲中溶入FeCl2固体,乙中的石墨电极为负极
答案 D
解析 由图示结合原电池原理分析可知, ( http: / / www.21cnjy.com )Fe3+得电子变成Fe2+被还原,I-失去电子变成I2被氧化,所以A、B正确;电流计读数为零时Fe3+得电子速率等于Fe2+失电子速率,反应达到平衡状态;D项在甲中溶入FeCl2固体,平衡2Fe3++2I-??2Fe2++I2向左移动,I2被还原为I-,乙中石墨为正极,D不正确。
4. 下图Ⅰ、Ⅱ分别是甲、乙两组同学将 ( http: / / www.21cnjy.com )反应“AsO+2I-+2H+??AsO+I2+H2O”设计成的原电池装置,其中C1、C2均为碳棒。甲组向图Ⅰ烧杯中逐滴加入适量浓盐酸;乙组向图ⅡB烧杯中逐滴加入适量40% NaOH溶液。
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下列叙述中正确的是 ( )
A.甲组操作时,电流计(G)指针发生偏转
B.甲组操作时,溶液颜色变浅
C.乙组操作时,C2做正极
D.乙组操作时,C1上发生的电极反应为I2+2e-===2I-
答案 D
解析 装置Ⅰ中的反应,AsO+2I-+2H+??AsO+I2+H2O,当加入适量浓盐酸时,平衡向右移动,有电子转移,但电子不会沿导线通过,所以甲组操作,电流计(G)指针不会发生偏转,但由于I2浓度增大,所以溶液颜色变深。向装置ⅡB烧杯中加入NaOH溶液中,AsO-2e-+2H2O===AsO+2H+,电子沿导线到C1棒,I2+2e-===2I-,所以C2为负极,C1为正极。
失误防范
(1)把氧化剂、还原剂均为溶液状态的氧化还原反应设计成原电池时,必须使用盐桥才能 实现氧化剂与还原剂的分离,否则不会有明显的电流出现。
(2)电子流向的分析方法:
①改变条件,平衡移动;
②平衡移动,电子转移;
③电子转移,判断区域;
④根据区域,判断流向;
⑤根据流向,判断电极。
考点二 燃料电池与不同“介质”
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不同“介质”下燃料电池电极反应式的书写 ( http: / / www.21cnjy.com ),大多数学生感到较难。主要集中在:一是得失电子数目的判断,二是电极产物的判断。下面以CH3OH、O2燃料电池为例,分析电极反应式的书写。
(1)酸性介质,如H2SO4。
CH3OH在负极上失去电子生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在H+作用下生成H2O。电极反应式为
负极:CH3OH-6e-+H2O===CO2↑+6H+
正极:O2+6e-+6H+===3H2O
(2)碱性介质,如KOH溶液。
CH3OH在负极上失去电子,在碱性条件下生 ( http: / / www.21cnjy.com )成CO,1 mol CH3OH 失去6 mol e-,O2在正极上得到电子生成OH-,电极反应式为
负极:CH3OH-6e-+8OH-===CO+6H2O
正极:O2+6e-+3H2O===6OH-
(3)熔融盐介质,如K2CO3。
在电池工作时,CO移向负极。CH3OH在负极上失去电子,在CO的作用下生成CO2气体,O2在正极上得到电子,在CO2的作用下生成CO,其电极反应式为
负极:CH3OH-6e-+3CO===4CO2↑+2H2O
正极:O2+6e-+3CO2===3CO
(4)掺杂Y2O3的ZrO3固体电解质,在高温下能传导正极生成的O2-。
根据O2-移向负极,在负极上CH3OH失电子生成CO2气体,而O2在正极上得电子生成O2-,电极反应式为
负极:CH3OH-6e-+3O2-===CO2↑+2H2O
正极:O2+6e-===3O2-
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题组一 判断“酸、碱”介质,理清书写思路
1. (2012·四川理综,11)一种基于酸性燃料电池原理设计的酒精检测仪,负极上的反应为CH3CH2OH-4e-+H2O===CH3COOH+4H+。下列有关说法正确的是 ( )
A.检测时,电解质溶液中的H+向负极移动
B.若有0.4 mol电子转移,则在标准状况下消耗4.48 L氧气
C.电池反应的化学方程式为CH3CH2OH+O2===CH3COOH+H2O
D.正极上发生的反应为O2+4e-+2H2O===4OH-
答案 C
解析 解答本题时审题是关键,反应是在酸 ( http: / / www.21cnjy.com )性电解质溶液中进行的。在原电池中,阳离子要往正极移动,故A错;因电解质溶液是酸性的,不可能存在OH-,故正极的反应式为O2+4H++4e-===2H2O,转移4 mol电子时消耗1 mol O2,则转移0.4 mol电子时消耗2.24 L O2,故B、D错;电池反应式即正负极反应式之和,将两极的反应式相加可知C正确。
2. 将两个铂电极放置在KOH溶液中,然后分别向两极通入CH4和O2,即可产生电流。下列叙述正确的 是 ( )
①通入CH4的电极为正极 ②正极的电极 ( http: / / www.21cnjy.com )反应式为O2+2H2O+4e-===4OH- ③通入CH4的电极反应式为CH4+2O2+4e-===CO2+2H2O ④负极的电极反应式为CH4+10OH--8e-===CO+7H2O ⑤放电时溶液中的阳离子向负极移动 ⑥放电时溶液中的阴离子向负极移动
A.①③⑤ B.②④⑥
C.④⑤⑥ D.①②③
答案 B
解析 根据题意知发生的反应为CH4+2O ( http: / / www.21cnjy.com )2===CO2+2H2O,反应产生的CO2在KOH溶液中会转化为CO。CH4为还原剂,应通入电源的负极,所以①错误;正极的电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,故②④正确,③错误;放电时溶液(原电池内电路)中的阳离子向正极移动,阴离子向负极移动,⑤错误,⑥正确。
思路归纳
对于燃料电池,正极往往通入O2,书写时应注意:
(1)首先书写正极反应式:
①酸性O2+4e-+4H+===2H2O
②碱性O2+4e-+2H2O===4OH-
(2)然后用总反应式减去正极的电极反应式得到负极的电极反应式。
题组二 区分介质“状态”,判断离子流向
3. 某燃料电池以Ca(HSO4)2固体为电解质传递H+,其基本结构如图所示,电池总反应可表示为2H2+O2===2H2O。
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请回答:
(1)H+由____极通过固体酸电解质传递到另一极(填a或b)。
(2)b极上发生的电极反应式是__________________。
答案 (1)a
(2)O2+4e-+4H+===2H2O
解析 a极为负极,b极为正极,电极反应式分别为
负极:2H2-4e-===4H+,正极:O2+4e-+4H+===2H2O,其中正极上的H+来自负极生成的H+。
4. 科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电 ( http: / / www.21cnjy.com )池,其效率更高,可用于航天航空。如下图所示装置中,以稀土金属材料作惰性电极,在两极上分别通入CH4和空气,其中固体电解质是掺杂了Y2O3的ZrO3固体,它在高温下能传导正极生成的O2-。
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(1)c电极的名称为________。
(2)d电极上的电极反应式为____________________。
答案 (1)正极 (2)CH4+4O2--8e-===CO2↑+2H2O
解析 根据电流的流向,可判断c为正极 ( http: / / www.21cnjy.com ),d为负极。在正极通入空气,电极反应式为2O2+8e-===4O2-,在负极上通入CH4,电极反应式为CH4+4O2--8e-===CO2↑+2H2O。
失误防范
根据内电路中的离子流向判断正、负极,在内电路中,阳离子由负极区流向正极区,阴离子由正极区流向负极区。
考点三 突破电解池,应用“不寻常”
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“六点”突破电解池
1. 分清阴、阳极,与电源正极相连的为阳极,与电源负极相连的为阴极,两极的反应为“阳氧阴还”。
2. 剖析离子移向,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。
3. 注意放电顺序。
4. 书写电极反应,注意得失电子守恒。
5. 正确判断产物。
(1)阳极产物的判断首先看电极,如果是 ( http: / / www.21cnjy.com )活性电极作阳极,则电极材料失电子,电极溶解(注意:铁作阳极溶解生成Fe2+,而不是Fe3+);如果是惰性电极,则需看溶液中阴离子的失电子能力,阴离子放电顺序为S2->I->Br->Cl->OH-(水)。
(2)阴极产物的判断直接根据阳离子的放电顺序进行判断:
Ag+>Hg2+>Fe3+>Cu2+>H+>Pb2+>Fe2+>H+(水)
6. 恢复原态措施。
电解后有关电解质溶液恢复原态的问题应该用 ( http: / / www.21cnjy.com )质量守恒法分析。一般是加入阳极产物和阴极产物的化合物,但也有特殊情况,如用惰性电极电解CuSO4溶液,Cu2+完全放电之前,可加入CuO或CuCO3复原,而Cu2+完全放电之后,应加入Cu(OH)2或Cu2(OH)2CO3复原。
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题组一 对可充电电池的深度剖析
1. Li/SO2电池具有输出功率 ( http: / / www.21cnjy.com )高和低温性能好等特点,其电解质是LiBr,溶剂是碳酸丙烯酯和乙腈,电池反应式为2Li+2SO2Li2S2O4。下列说法正确的是 ( )
A.该电池反应为可逆反应
B.放电时,Li+向负极移动
C.充电时,阴极反应式为Li++e-===Li
D.该电池的电解质溶液可以换成LiBr的水溶液
答案 C
解析 本题考查电化学知识。电池的放电 ( http: / / www.21cnjy.com )和充电是在不同的反应条件下发生的,故该电池反应不能叫可逆反应,A项错误。放电时,Li+向正极移动,B项错误。充电时,阴极发生还原反应:Li++e-===Li,C项正确。若电解质溶液换成LiBr的水溶液,则碱金属锂会和水发生反应,D项错误。
2. 某种可充电聚合物锂离子电池放电时 ( http: / / www.21cnjy.com )的反应为Li1-xCoO2+LixC6===6C+LiCoO2,其工作原理示意图如右。下列说法不正确的是 ( )
A.放电时LixC6发生氧化反应
B.充电时,Li+通过阳离子交换膜从左向右移动
C.充电时将电池的负极与外接电源的负极相连
D.放电时,电池的正极反应为Li1-xCoO2+xLi++xe-===LiCoO2
答案 B
解析 放电时,
负极:LixC6-xe-===xLi++6C
正极:Li1-xCoO2+xe-+xLi+===LiCoO2
充电时,
阴极:xLi++6C+xe-===LixC6
阳极:LiCoO2-xe-===xLi++Li1-xCoO2
左边为负极区,右边为正极区,放电时,Li+在负极区生成,移向正极区,而充电时,Li+从右向左移动。
方法技巧
对于可充电电池,放电时为原电 ( http: / / www.21cnjy.com )池,符合原电池工作原理,负极发生氧化反应,正极发生还原反应;外电路中电子由负极流向正极,内电路中阳离子向正极移动,阴离子向负极移动。
可充电电池充电时为电解池, ( http: / / www.21cnjy.com )阳极发生氧化反应,阴极发生还原反应;充电时电池的“+”极与外接直流电源的正极相连,电池的“-”极与外接直流电源的负极相连。
题组二 电解原理的“不寻常”应用
(一)处理废水
3. 某工厂采用电解法处理含铬废水,耐酸电 ( http: / / www.21cnjy.com )解槽用铁板作阴、阳极,槽中盛放含铬废水,原理示意图如右,下列说法不正确的是 ( )
A.A为电源正极
B.阳极区溶液中发生的氧化还原反应为
Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
C.阴极区附近溶液pH降低
D.若不考虑气体的溶解,当收集到H2 13.44 L(标准状况)时,有0.1 mol Cr2O被还原
答案 C
解析 根据图示,A作阳极,B作阴极,电极反应式为
阳极:Fe-2e-===Fe2+
阴极:2H++2e-===H2↑
然后,Cr2O+6Fe2++14H+===2Cr3++6Fe3++7H2O
由于在阴极区c(H+)减小,pH增大。根据6H2~6Fe2+~Cr2O得,当有13.44 L(标准状况)H2放出时,应有0.1 mol Cr2O被还原。
(二)制备物质
4. 电解尿素[CO(NH2)2]的碱性溶液制氢气的装置示意图如下:
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电解池中隔膜仅阻止气体通过,阴阳两极均为惰性电极,
(1)A极为________,电极反应式为________________________________________。
(2)B极为________,电极反应式为________________________________________。
答案 (1)阳极 CO(NH2)2+8OH--6e-===N2↑+CO+6H2O (2)阴极 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-
解析 H2产生是因为H2O电离的H+在阴极上 ( http: / / www.21cnjy.com )得电子,即6H2O+6e-===3H2↑+6OH-,所以B极为阴极,A极为阳极,电极反应式为CO(NH2)2-6e-+8OH-===N2↑+CO+6H2O,阳极容易错写成4OH--4e-===2H2O+O2↑。
(三)处理废气
5. 用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所 ( http: / / www.21cnjy.com )得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如下图所示。(电极材料为石墨)
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(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)SO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________。
答案 (1)负 硫酸
(2)SO-2e-+H2O===SO+2H+
(3)H2O??H++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
解析 根据Na+、SO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:SO-2e-+H2O===SO+2H+
阴极:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
所以从C口流出的是H2SO4 ( http: / / www.21cnjy.com ),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。
考点四 “两比较”“两法”突破金属的腐蚀与防护
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1. 两比较
(1)析氢腐蚀和吸氧腐蚀的比较
类型 析氢腐蚀 吸氧腐蚀
条件 水膜呈酸性 水膜呈弱酸性或中性
正极反应 2H++2e-===H2↑ O2+2H2O+4e-===4OH-
负极反应 Fe-2e-===Fe2+
其他反应 Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3Fe(OH)3失去部分水转化为铁锈
(2)腐蚀快慢的比较
①一般来说可用下列原则判断: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。
③活泼性不同的两种金属,活泼性差别越大,腐蚀越快。
④对同一种电解质溶液来说,电解质溶液浓度越大,金属腐蚀的速率越快。
2. 两种保护方法
(1)加防护层
如在金属表面加上油漆、搪瓷、沥青、塑料、橡胶等耐腐蚀的非金属材料;采用电镀或表面钝化等方法在金属表面镀上一层不易被腐蚀的金属。
(2)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法——原电池原理:正极为被保护的金属;负极为比被保护的金属活泼的金属;
②外加电流的阴极保护法——电解原理:阴极为被保护的金属,阳极为惰性电极。
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题组一 两种腐蚀的比较
1. 利用下图装置进行实验,开始时,a、b两处液面相平,密封好,放置一段时间。下列说法不正确的是 ( )
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A.a管发生吸氧腐蚀,b管发生析氢腐蚀
B.一段时间后,a管液面高于b管液面
C.a处溶液的pH增大,b处溶液的pH减小
D.a、b两处具有相同的电极反应式:Fe-2e-===Fe2+
答案 C
解析 根据装置图判断,左边铁丝发生吸氧腐蚀,右边铁丝发生析氢腐蚀,其电极反应为
左边 负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:O2+4e-+2H2O===4OH-
右边 负极:Fe-2e-===Fe2+
正极:2H++2e-===H2↑
a处、b处的pH均增大,C错误。
2. 右图是用铁铆钉固定两个铜质零件的示意图,若该零件置于潮湿空气中,下列说法正确的是 ( )
A.发生电化学腐蚀,铜为负极,铜极产生H2
B.铜易被腐蚀,铜极上发生还原反应,吸收O2
C.铁易被腐蚀,铁发生氧化反应,Fe-2e===Fe2+
D.发生化学腐蚀:Fe+Cu2+===Cu+Fe2+
答案 C
解析 发生吸氧腐蚀,正极反应O2+2H2O+4e-===4OH-,负极反应:2Fe-4e-===
2Fe2+,C正确。
失误防范
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。
题组二 腐蚀快慢与防护方法的比较
3.下列与金属腐蚀有关的说法正确的是 ( )
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A.图a中,插入海水中的铁棒,越靠近底端腐蚀越严重
B.图b中,开关由M改置于N时,Cu Zn合金的腐蚀速率减小
C.图c中,接通开关时Zn腐蚀速率增大,Zn上放出气体的速率也增大
D.图d中,Zn MnO2干电池自放电腐蚀主要是由MnO2的氧化作用引起的
答案 B
解析 A项,插入海水中的铁棒靠近 ( http: / / www.21cnjy.com )液面的位置与氧气接触,易发生吸氧腐蚀;B项,开关由M改置于N时,Zn作负极,Cu Zn合金作正极,合金受到保护;C项,接通开关形成原电池,Zn作负极,Zn的腐蚀速率增大,但气体是在Pt电极上生成;D项,Zn MnO2干电池自放电腐蚀主要是Zn发生氧化反应而自放电。
4. 下列与金属腐蚀有关的说法,正确的是 ( )
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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管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
答案 C
解析 A项,图1中,铁钉处于干燥环境,不易被腐蚀;B项,负极反应为Fe-2e-===
Fe2+,Fe2+与[Fe(CN)6]3- ( http: / / www.21cnjy.com )反应生成Fe3[Fe(CN)6]2蓝色沉淀;D项,为牺牲阳极的阴极保护法,Mg块相当于原电池的负极。
考点五 正确理解“电解池”的串联 突破电化学的计算
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电化学计算的基本方法和技巧:
原电池和电解池的计算包括两极产物的定量 ( http: / / www.21cnjy.com )计算、溶液pH的计算、相对原子质量和阿伏加德罗常数的计算、产物的量与电量关系的计算等。通常有下列三种方法:
1. 根据电子守恒计算
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. 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。
3. 根据关系式计算
根据得失电子守恒定律关系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4 mol e-为桥梁可构建如下关系式:
4e-~2Cl2(Br2、I2)~O2
阳极产物
2H2~2Cu~4Ag~M
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。
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题组一 无明显“外接电源”的电解池“串联”的判断与计算
1. 如下图所示,其中甲池的总反应 ( http: / / www.21cnjy.com )式为2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O,下列说法正确的是 ( )
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A.甲池是电能转化为化学能的装置,乙、丙池是化学能转化电能的装置
B.甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH-6e-+2H2O===CO+8H+
C.反应一段时间后,向乙池中加入一定量Cu(OH)2固体能使CuSO4溶液恢复到原浓度
D.甲池中消耗280 mL(标准状况下)O2,此时丙池中理论上最多产生1.45 g固体
答案 D
解析 甲池为原电池,作为电源,电解乙池、丙池两个电解池。根据原电池的形成条件,通入CH3OH的一极为负极,通入O2的一极为正极,所以石墨、Pt(左)作阳极,Ag、Pt(右)作阴极;B项,负极反应:CH3OH-6e-+8OH-===CO+6H2O;C项,应加入CuO;D项,丙池中:MgCl2+2H2O电解,Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑,消耗0. 012 5 mol O2,转移0.05 mol电子,生成0.025 mol Mg (OH)2,其质量为1.45 g。
题组二 有明显“外接电源”的电解池“串联”的判断与计算
2. 在如图所示的装置中,若通直流电5 min时,铜电极质量增加2.16 g。试回答下列问题。
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(1)电源中X电极为直流电源的________极。
(2)pH变化:A:________,B:________,C:________(填“增大”、“减小”或“不变”)
(3)通电5 min时,B中共收 ( http: / / www.21cnjy.com )集224 mL(标准状况下)气体,溶液体积为200 mL,则通电前CuSO4溶液的物质的量浓度为________(设电解前后溶液体积无变化)。
(4)若A中KCl足量且溶液的体积也是200 mL,电解后,溶液的pH为__________(设电解前后溶液体积无变化)。
答案 (1)负 (2)增大 减小 不变 (3)0.025 mol·L-1
(4)13
解析 (1)三个装置是串联的电解池。电 ( http: / / www.21cnjy.com )解AgNO3溶液时,Ag+在阴极发生还原反应变为Ag,所以质量增加的铜电极是阴极,则银电极是阳极,Y是正极,X是负极。
(2)电解KCl溶液生成KOH,溶 ( http: / / www.21cnjy.com )液pH增大;电解CuSO4溶液生成H2SO4,溶液pH减小;电解AgNO3溶液,银为阳极,不断溶解,Ag+浓度基本不变,pH不变。
(3)通电5 min时,C中析出0. ( http: / / www.21cnjy.com )02 mol Ag,电路中通过0.02 mol电子。B中共收集0.01 mol气体,若该气体全为氧气,则电路中需通过0.04 mol电子,电子转移不守恒。因此,B中电解分为两个阶段,先电解CuSO4溶液,生成O2,后电解水,生成O2和H2,B中收集到的气体是O2和H2的混合物。设电解CuSO4溶液时生成O2的物质的量为x,电解H2O时生成O2的物质的量为y,则4x+4y=0.02 mol(电子转移守恒),x+3y=0.01 mol(气体体积之和),解得x=y=0.002 5 mol,所以n(CuSO4)=2×0.002 5 mol=0.005 mol,c(CuSO4)=0.005 mol÷0.2 L=0.025 mol·L-1。(4)通电5 min时,A中放出0.01 mol H2,溶液中生成0.02 mol KOH,c(OH-)=0.02 mol÷0.2 L=0.1 mol·L-1,pH=13。
失误防范
(1)无明显“外接电源”的电解池的“串联”问题,主要是根据“原电池”的形成条件判断“电源”的正、负极,从而判断阴、阳极。
(2)有明显“外接电源”的电解池的“串 ( http: / / www.21cnjy.com )联”问题,主要是根据“电极现象”判断阴、阳极,从而判断电源的正、负极,进一步判断其它“电解池”的阴、阳极。
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1. 某小组为研究电化学原理,设计如图装置。下列叙述正确的是( )
A.a和b用导线连接时,铁片上会有金属铜析出
B.a和b用导线连接时,铜片上发生的反应为2H++2e-===H2↑
C.无论a和b是否连接,铁片均会溶解,溶液从蓝色逐渐变成浅绿色
D.a和b分别连接直流电源正、负极,电压足够大时,Cu2+向铜电极
移动
答案 C
解析 当a、b相连时,构 ( http: / / www.21cnjy.com )成原电池,负极:Fe-2e-===Fe2+,正极,Cu2++2e-===Cu,A、B均错;D项,Cu作阳极,Fe作阴极,所以Cu2+只能向阴极上移动。
2. 用如图所示装置进行实验,下列叙述不正确的是 ( )
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A.K与N连接时,铁被腐蚀
B.K与N连接时,石墨电极产生气泡
C.K与M连接时,一段时间后溶液的pH增大
D.K与M连接时,石墨电极反应式:4OH--4e-===2H2O+O2↑
答案 D
解析 K与N连接时,构成原电池,发 ( http: / / www.21cnjy.com )生析氢腐蚀,A、B正确;K与M连接时,电极反应式为阳极:2Cl--2e-===Cl2↑,阴极:2H++2e-===H2↑,D项错误。
3. 研究发现,可以用石 ( http: / / www.21cnjy.com )墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaF2—CaO作电解质,利用右图所示装置获得金属钙,并以钙为还原剂还原二氧化钛制备金属钛。下列说法中,正确的是 ( )
A.由TiO2制得1 mol金属Ti,理论上外电路转移2 mol电子
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.若用铅蓄电池作该装置的供电电源,“+”接线柱应连接Pb电极
答案 B
解析 根据图中信息,电极反应为
阳极:C+2O2--4e-===CO2↑
阴极:2Ca2++4e-===2Ca
TiO2+2Ca===Ti+2CaO
A项,制得1 mol Ti,外电路 ( http: / / www.21cnjy.com )应转移4 mol e-;C项,制备钛前后,CaO的总量保持不变;D项,“+”接线柱应接外接电源的正极, 即PbO2。
4. 在下列装置中,MSO4和N ( http: / / www.21cnjy.com )SO4是两种常见金属的易溶盐。当K闭合时,SO从右到左通过交换膜移向M极,下列分析正确的是 ( )
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A.溶液中c(M2+)减小
B.N的电极反应式:N===N2++2e-
C.X电极上有H2产生,发生还原反应
D.反应过程中Y电极周围生成白色胶状沉淀
答案 C
解析 当K闭合时,根据SO的移向,可判断M极为负极,N极为正极,Y为阳极,X为阴极,电极反应式分别为负极:M-2e-===M2+,正极:N2++2e-===N,阳极:
2Cl--2e-===Cl ( http: / / www.21cnjy.com )2↑;阴极:2H++2e-===H2↑,在X极(阴极)附近Al3++3OH-===Al(OH)3↓,只有C项正确。
5. 一种太阳能电池的工作原理 ( http: / / www.21cnjy.com )如下图所示,电解质为铁氰化钾K3[Fe(CN)6]和亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]的混合溶液,下列说法不正确的是 ( )
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A.K+移向催化剂b
B.催化剂a表面发生的化学反应:[Fe(CN)6]4--e-===[Fe(CN)6]3-
C.Fe(CN)在催化剂b表面被氧化
D.电解池溶液中的[Fe(CN)6]4-和[Fe(CN)6]3-浓度基本保持不变
答案 C
解析 根据电子的流向,左电极为负极,右电极为 ( http: / / www.21cnjy.com )正极,K+移向正极,A项正确;负极反应式为[Fe(CN)6]4--e-===[Fe(CN)6]3-,正极反应式为[Fe(CN)6]3-+e-===[Fe(CN)6]4-,B、D正确;C项[Fe(CN)6]3-在催化剂b表面被还原,错误。
6. 太阳能光伏发电系统是被称为“2 ( http: / / www.21cnjy.com )1世纪绿色光源”的半导体照明(LED)系统(如图)。已知发出白光的LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG,化学式:Y3Al5O12)芯片封装在一起做成。下列说法中不正确的是 ( )
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A.光伏发电是将太阳能转变为电能
B.上图中N区半导体为负极,P区半导体为正极,电流从a流向b
C.YAG中钇显+3价
D.Ga与N在元素周期表中不处于同一主族
答案 B
解析 B项,电流从b流向a,错误;C项,根据元素化合价的代数和为零可判断Y的化合价为+=+3价。
7. 早在1807年化学 ( http: / / www.21cnjy.com )家戴维用电解熔融氢氧化钠制得钠:4NaOH(熔)4Na+O2↑+2H2O;后来盖·吕萨克用铁与熔融氢氧化钠作用也制得钠:
3Fe+4NaOHFe3O4+2H2↑+4Na↑。下列有关说法正确的是 ( )
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A.电解熔融氢氧化钠制钠,阳极发生电解反应为2OH--2e-===H2↑+O2↑
B.盖·吕萨克法制钠原理是利用铁的还原性比钠强
C.若戴维法与盖·吕萨克法制得等量的钠,则两反应中转移的电子总数不同
D.目前工业上常用电解熔融氯化钠法制钠(如上图),电解槽中石墨极为阴极,铁为阳极
答案 C
解析 电解熔融NaOH电极反应式为
阴极:4Na++4e-===4Na,
阳极:4OH--4e-===O2↑+2H2O,A错误;D项中,若铁作阳极,则铁被电解,D错误;C项,电解熔融NaOH若制得4 mol Na,则转移4 mol e-,盖·吕萨克法制得4 mol Na,则转移8 mol e-。
8. 相同材质的铁在图中四种情况下最不易被腐蚀的是 ( )
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答案 C
解析 在A中,能构成原电 ( http: / / www.21cnjy.com )池,铁作负极,易被腐蚀;在B中,食盐水提供电解质溶液环境,铁炒锅和铁铲都是铁碳合金,符合原电池形成的条件,铁作负极,碳作正极,铁易被腐蚀;在C中,铜镀层将铁球覆盖,使铁被保护,所以铁不易被腐蚀;在D中,酸雨提供电解质溶液环境,铁铆钉和铜板分别作负、正极,形成原电池,铁易被腐蚀。
9. 下列图示中关于铜电极的连接错误的是 ( )
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答案 C
解析 镀件上镀铜时,铜应作阳极,与电源正极相连,镀件作阴极,与电源负极相连。
10.某小组按图1所示的装置探究铁的吸氧腐蚀。
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完成下列填空:
(1)图2是图1所示装置的示意图,在图2的小括号内填写正极材料的化学式;在方括号内用箭头表示出电子流动的方向。
(2)写出正、负极反应的方程式。
正极:________________,负极:________________。
(3)按图1装置实验,约8分钟才看到 ( http: / / www.21cnjy.com )导管中液柱上升,下列措施可以更快更清晰地观察到液柱上升的是____________________(填字母序号)。
a.用纯氧气代替具支试管内的空气
b.用食盐水浸泡过的铁钉再蘸取铁粉和炭粉的混合物
c.用毛细尖嘴管代替玻璃导管,并向试管的水中滴加少量红墨水
(4)升高温度可以加快化学反应速率,建议用酒精灯加热具支试管。这一措施________(填“可行”或“不行”)。
答案 (1)
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(2)2H2O+O2+4e===4OH-
Fe-2e-===Fe2+
(3)abc
(4)不行
解析 (1)(2),电子由负极到正极,
正极:O2+4e-+2H2O===4OH-,
负极:2Fe-4e-===2Fe2+。
(3)a项,增大O2的浓度,加快腐蚀,b项,增大接触面积,加快腐蚀,c项,可清晰地观察液柱。
(4)因为加热具支试管,把空气赶出,腐蚀更慢。
11.海洋资源的开发与利用具有广阔的前景。海水的pH一般在7.5~8.6之间。某地海水中主要离子的含量如下表:
成分 Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO HCO
含量/mg·L-1 9 360 83 200 1 100 16 000 1 200 118
(1)电渗析法是近年发展起来的一种较好的海水淡化技术,其原理如下图所示。其中阴(阳)离子交换膜只允许阴(阳)离子通过。
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①阴极的电极反应式为__________________。
②电解一段时间,阴极区会产生水垢,其成 ( http: / / www.21cnjy.com )分为CaCO3和Mg(OH)2,写出生成CaCO3的离子方程式______________________________________。
③淡水的出口为a、b、c中的________出口。
(2)海水中锂元素储量非常丰富,从海水中提取锂的研究极具潜力。锂是制造化学电源的重要原料,如LiFePO4电池某电极的工作原理如下图所示:
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该电池电解质为传导Li+的固体材料。放电 ( http: / / www.21cnjy.com )时该电极是电池的________极(填“正”或“负”),电极反应式为______________________。
答案 (1)①2H2O+2e-===H2↑+2OH-
②Ca2++OH-+HCO===CaCO3↓+H2O
③b
(2)正 FePO4+e-+Li+===LiFePO4
解析 (1)①电解海水,阴极是H+得电子,而不是活泼金属阳离子,2H2O+2e-===H2↑+2OH-。
②由于在阴极区H+不断放电,破坏水的电离平衡,c(OH-)增大,致使Ca2++OH-+HCO===CaCO3↓+H2O。
③因为在阴极区除去Ca2+、Mg2+,所以淡水应b口出。
(2)放电时的电极反应式分别为负极:Li-e-===Li+,
正极:FePO4+Li++e-===LiFePO4。
12.A、B、C三种强电解质,它们在水中电离出的离子如下表所示:
阳离子 Na+、K+、Cu2+
阴离子 SO、OH-
如图1所示装置中,甲、乙、丙三个烧杯中 ( http: / / www.21cnjy.com )依次盛放足量的A溶液、足量的B溶液、足量的C溶液,电极均为石墨电极。接通电源,经过一段时间后,测得乙中c电极质量增加了16 g。常温下各烧杯中溶液的pH与电解时间t的关系如图2所示。请回答下列问题:
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(1)M为直流电源的________极,b电极上发生的电极反应为________。
(2)计算e电极上生成的气体在标准状况下的体积为________________。
(3)写出乙烧杯中的总反应的离子方程式:_________________________________。
(4)要使丙烧杯中的C溶液恢复到原来的状态, ( http: / / www.21cnjy.com )需要进行的操作是(写出要加入的物质和质量)______________________________。
答案 (1)负 4OH--4e-===2H2O+O2↑
(2)5.6 L
(3)2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑
(4)水、4.5 g
解析 根据题意,乙中为CuSO ( http: / / www.21cnjy.com )4溶液,c电极为阴极,M为负极,N为正极。丙为Na2SO4或K2SO4,甲为NaOH或KOH溶液,b为阳极,电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑。
(2)e电极为阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,其在标准状况下的体积为×22.4 L·mol-1=5.6 L。
(3)2Cu2++2H2O2Cu+4H++O2↑。
(4)电解Na2SO4或K2SO4溶液,实质是电解水,所以应向丙烧杯中加水,其质量为4.5 g。
13.以黄铜矿精矿为原料,制取硫酸铜及金属铜的工艺如下所示:
Ⅰ.将黄铜矿精矿(主要成分为CuFeS2,含有少量CaO、MgO、Al2O3)粉碎。
Ⅱ.采用如下装置进行电化学浸出实验
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将精选黄铜矿粉加入电解槽阳极区,恒速搅拌,使矿粉溶解。在阴极区通入氧气,并加入少量催化剂。
Ⅲ.一段时间后,抽取阴极区溶液,向 ( http: / / www.21cnjy.com )其中加入有机萃取剂(RH)发生反应:2RH(有机相)+Cu2+(水相)??R2Cu(有机相)+2H+(水相)
分离出有机相,向其中加入一定浓度的硫酸,使Cu2+得以再生。
Ⅳ.电解硫酸铜溶液制得金属铜。
(1)黄铜矿粉加入阳极区与硫酸及硫酸铁主要发生以下反应:
CuFeS2+4H+===Cu2++Fe2++2H2S
2Fe3++H2S===2Fe2++S↓+2H+
①阳极区硫酸铁的主要作用是____________。
②电解过程中,阳极区Fe3+的浓度基本保持不变,原因是______________________。
(2)阴极区,电极上开始时有 ( http: / / www.21cnjy.com )大量气泡产生,后有固体析出,一段时间后固体溶解。写出上述现象对应的反应式____________________。
(3)若在实验室进行步骤Ⅲ,分离有机相和水相的主要实验仪器是__________;加入有机萃取剂的目的是__________。
(4)步骤Ⅲ,向有机相中加入一定浓度的硫酸,Cu2+得以再生的原理是____________。
(5)步骤Ⅳ,若电解200 mL 0.5 m ( http: / / www.21cnjy.com )ol·L-1的CuSO4溶液,生成铜3.2 g,此时溶液中离子浓度由大到小的顺序是__________。
答案 (1)①吸收硫化氢气体,防止环境污染
②Fe2+-e-===Fe3+
(2)2H++2e-===H2↑、Cu2++2e-===Cu、2Cu+O2+2H2SO4===2CuSO4+2H2O
(3)分液漏斗 富集Cu2+、分离Cu2+与其它金属阳离子
(4)增大H+浓度,使平衡2RH(有机相)+Cu2+(水相)??R2Cu(有机相)+2H+(水相)逆向移动,Cu2+进入水相得以再生
(5)c(H+)>c(SO)>c(Cu2+)>c(OH-)
解析 (1)根据2Fe3++H2S===2 ( http: / / www.21cnjy.com )Fe2++S↓+2H+,可判断Fe2(SO4)3的主要作用是氧化H2S气体,防止H2S对环境的污染,当Fe3+被H2S还原为Fe2+后,在阳极上Fe2+-e-===
Fe3+,使Fe3+的浓度基本保持不变。
(2)在阴极上,2H++2e-===H2↑, ( http: / / www.21cnjy.com )然后Cu2++2e-===Cu,接着在酸性条件下,Cu被O2氧化成CuO,CuO和H2SO4反应生成CuSO4。
(3)有机相和水相不混溶,所以应用分液漏斗分离,由于Cu2+在有机相中,所以加入有机萃取剂可富集Cu2+。
(4)利用化学平衡移动原理解释。
(5)2CuSO4+2H2O2Cu+2H2SO4+O2↑
0.05 mol 0.05 mol
所以n(H+)=0.1 mol
由于Cu2+的水解,所以n(Cu2+)<0.05 mol,n(H+)>0.1 mol。
所以c(H+)>c(SO)>c(Cu2+)>c(OH-)。