专题6　电化学与金属防腐 课件（共70张PPT）江苏省2023高考三轮冲刺练

(共70张PPT)
专题6　电化学与金属防腐
能力点1　原电池、化学电源
1.(2021·江苏卷)通过下列方法可分别获得H2和O2:①通过电解获得NiOOH和H2(如图);②在90 ℃将NiOOH与H2O反应生成Ni(OH)2并获得O2。下列说法正确的是(　　)
A.电解后KOH溶液的物质的量浓度减小
B.电解时阳极电极反应式:
Ni(OH)2+OH--e-══NiOOH+H2O
C.电解的总反应方程式:2H2O 2H2↑+O2↑
D.电解过程中转移4 mol电子,理论上可获得22.4 L O2
B
解析:阴极为水电离的氢离子得电子生成氢气,阳极为Ni(OH)2失电子生成NiOOH,电解过程总反应式为2Ni(OH)2 2NiOOH+H2↑,电解后KOH溶液的物质的量浓度不变,故A、C错误;电解时阳极Ni(OH)2失电子生成NiOOH,电极反应式为Ni(OH)2+OH--e-══NiOOH+H2O,故B正确;电解过程中每转移4 mol电子,生成4 mol NiOOH,根据4NiOOH+2H2O 4Ni(OH)2+O2可知,生成1 mol氧气,因未指明是否为标准状况下,故其体积不一定是22.4 L,D错误。
2.(2020·江苏卷节选)HCOOH燃料电池。研究 HCOOH燃料电池性能的装置如图所示,两电极区间用允许K+、H+通过的半透膜隔开。
电池负极电极反应式为　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　;放电过程中需补充的物质A为　　　　(填化学式)。
核心知识1　原电池
1.原电池的工作原理
2.原电池正、负极的判断方法
说明　原电池的正极和负极与电极材料的性质有关,也与电解质溶液有关,不要形成活泼电极一定作负极的思维定式。
3.电极反应式的书写
4.燃料电池电极反应式的书写
(以氢氧燃料电池为例)
核心知识2　电化学知识类比迁移与解题指导
电化学装置 由陌生装置图迁移到课本熟悉的装置图 类比迁移
燃料 电池 燃料“CO、H2”→课本上“H2”→负极
“O2、CO2”→课本上“O2”→正极“熔融碳酸盐”→课本上“电解质溶液”
电化学装置 由陌生装置图迁移到课本熟悉的装置图 类比迁移
电解池 “A”与电源负极相连→课本上“X”与电源负极相连→推出“A”为阴极→发生还原反应
“B”与电源正极相连→课本上“Y”与电源正极相连→推出“B”为阳极→发生氧化反应
电化学装置 由陌生装置图迁移到课本熟悉的装置图 类比迁移
金属防腐 “钢管桩”与负极相连→课本上“钢闸门”与负极相连→阴极→推出“钢管桩”被保护
“高硅铸铁”与正极相连→课本上“辅助阳极(不溶解)”与正极相连→推出“高硅铸铁”作阳极,不损耗
【解题指导】
(1)审题干——放电是原电池;充电则为电解池。
(2)根据装置图中的物质变化——分析反应方向及化合价变化,以确定电极及电极反应。
(3)根据原理可确定电子流向(电流流向、离子移动方向)。
(4)根据得失电子守恒、电荷守恒、元素守恒以及电解质的酸碱性等,配平电极反应式。
(5)根据得失电子守恒进行电极产物的定量计算。
例如:
1.(2022·江苏模拟重组)下列说法正确的是(　　)
A.用液氨和液氧制成的燃料电池放电时可实现将化学能全部转化为电能
B.由CH4、O2和KOH溶液组成的燃料电池,负极反应式:CH4+8OH--8e-══CO2+6H2O
C.常温常压,氢氧燃料电池工作消耗2.24 L O2时,转移电子的数目为0.4×6.02×1023
D
解析:燃料电池中化学能不可能完全转化为电能,A错误;碱性环境不能生成CO2,B错误;常温常压下,2.24 L O2的物质的量不是0.1 mol,C错误;铜锌原电池中,盐桥中的K+移向正极, 移向负极,D正确。
2.可充电氟镁动力电池比锂电池具有更高的能量密度和安全性,其电池反应为Mg+2MnF3══2MnF2+MgF2。下列有关说法不正确的是(　　)
A.镁为负极材料
B.正极的电极反应式为MnF3+e-══MnF2+F-
C.电子从镁极流出,经电解质流向正极
D.每生成1 mol MnF2时转移1 mol电子
C
解析:由电池反应可知镁作还原剂,发生氧化反应,镁极为负极,A项说法正确;电池反应中,三氟化锰发生还原反应,其电极反应式为MnF3+e-══MnF2+F-,B项说法正确;电子由负极(镁极)流出经外电路流向正极,C项说法错误;由电池反应可知,锰元素由+3价降为+2价,每生成1 mol MnF2时转移1 mol电子,D项说法正确。
3.(2022·江苏泰州中学高三第一次月度检测)科研人员借助太阳能,将H2S转化为可再利用的S和H2的工作原理如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A.该电池能实现将光能转化为化学能
B.a电极的电极反应:2H++2e-══H2↑
C.光照后,b电极的电极反应:H2S-2e-══2H++S
D.a电极区溶液的pH不变
C
解析:该电池通过光照发生化学反应,形成原电池,将光能转化为化学能,故A不符合题意;根据图示,在a电极上H+获得电子变成氢气,a电极的电极反应为2H++2e-══H2↑,故B不符合题意;根据图示,光照后,b电极上Fe2+失去电子变成Fe3+,电极反应为Fe2+-e-══ Fe3+,故C符合题意;电池工作时,a极区消耗的H+的物质的量与通过离子交换膜进入a极区的H+相等,因此,a极区溶液的pH不变,故D不符合题意。
4.为提升电池循环效率和稳定性,科学家近期利用三维多孔海绵状Zn(3D-Zn)可以高效沉积ZnO的特点,设计了采用强碱性电解质的3D-Zn-NiOOH二次电池,结构如图所示。电池反应为Zn(s)+2NiOOH(s)+H2O(l) ZnO(s)+2Ni(OH)2(s)。下列说法错误的是
(　　)
A.三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,
所沉积的ZnO分散度高
B.充电时阳极反应:
Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-══NiOOH(s)+H2O(l)
C.放电时负极反应:Zn(s)+2OH-(aq)-2e-══ZnO(s)+H2O(l)
D.放电过程中OH-通过隔膜从负极区移向正极区
D
解析:三维多孔海绵状Zn具有较高的表面积,吸附能力强,所沉积的ZnO分散度高,A项说法正确;充电相当于电解池,阳极发生氧化反应,根据总反应式可知,阳极Ni(OH)2失去电子生成NiOOH,电极反应式为Ni(OH)2(s)+OH-(aq)-e-══NiOOH(s)+H2O(l),B项说法正确;放电相当于原电池,负极发生氧化反应,根据总反应式可知,负极反应式为Zn(s)+2OH-(aq)-2e-══ZnO(s)+H2O(l),C项说法正确;原电池中,阳离子向正极迁移,阴离子向负极迁移,D项说法错误。
5.(2022·盐城冲刺)辉铜矿(主要成分Cu2S)可以用FeCl3溶液浸泡提取铜,反应的离子方程式为Cu2S+4Fe3+══2Cu2++4Fe2++S。Cu2S可由黄铜矿(主要成分CuFeS2)通过电化学反应转变而成,其工作原理如图所示。下列有关电解CuFeS2的说法正确的是(　　)
A.a为电源的负极
B.该装置将化学能转化为电能
C.离子交换膜为阴离子交换膜
D.b电极上的反应为2CuFeS2+6H++2e-══Cu2S+2Fe2++3H2S↑
D
解析:由图可知,在a电极上,Cu失电子转变为Cu2S,故a极为阳极,连电源正极,A错误;该装置是电解池,将电能转化为化学能,B错误;由电极b的图示可知,CuFeS2在电极上得电子生成Cu2S、Fe2+、H2S,故该电极上有H+参加,D正确;根据b极电极反应式可知,该离子交换膜为阳离子交换膜,C错误。
②Cr3+和Fe3+最终转化为Cr(OH)3和Fe(OH)3沉淀除去。
下列说法正确的是(　　)
A.气体X为空气,气体Y为甲烷
B.燃料电池负极反应式为CH4-8e-+2H2O══CO2↑+8H+
C
能力点2　电解池　金属的腐蚀与防护
1.(2020·江苏卷)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。在如图所示的情境中,下列有关说法正确的是(　　)
A.阴极的电极反应式为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
C
解析:钢铁设施作原电池的正极,正极金属被保护不失电子,故A错误;阳极金属M为原电池的负极被氧化,因此金属M的活动性比Fe的活动性强,故B错误;金属M失电子,电子经导线流入钢铁设施,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,故C正确;海水中含有大量的NaCl等电解质,而河水中电解质较少,因此钢铁设施在海水中的腐蚀速率比在河水中的快,故D错误。
2.(2019·江苏卷)将铁粉和活性炭的混合物用NaCl溶液湿润后,置于如图所示装置中,进行铁的电化学腐蚀实验。下列有关该实验的说法正确的是(　　)
A.铁被氧化的电极反应式为Fe-3e-══Fe3+
B.铁腐蚀过程中化学能全部转化为电能
C.活性炭的存在会加速铁的腐蚀
D.以水代替NaCl溶液,铁不能发生吸氧腐蚀
C
解析:在铁的电化学腐蚀中,铁单质失去电子转化为Fe2+,即负极反应为Fe-2e-══Fe2+,故A错误;铁的腐蚀过程中,化学能除了转化为电能,还有一部分转化为热能,故B错误;活性炭与铁混合,在氯化钠溶液中构成了许多微小的原电池,会加速铁的腐蚀,故C正确;以水代替氯化钠溶液,水也呈中性,铁在中性或碱性条件下易发生吸氧腐蚀,故D错误。
3.(2018·江苏卷节选)用稀硝酸吸收NOx,得到HNO3和HNO2的混合溶液,电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。写出电解时阳极的电极反应式:　 。
解析:根据电解原理,阳极发生失电子的氧化反应,阳极反应为HNO2失去电子生成HNO3。
4.(2017·江苏卷节选)电解Na2CO3溶液的原理如图所示。阳极的电极反应式为
　　　　　　　　　　　　,阴极产生的物质A的化学式为　　　　。
核心知识1　电解反应式的书写
1.步骤
以写出用石墨作电极电解CuSO4溶液的电极反应式及电解总反应式为例。
第三步:写电极反应式和电解总反应式。
阴极:2Cu2++4e-══2Cu;阳极:2H2O-4e-══O2↑+4H+。
根据得失电子数相等,将两极反应式相加得电解总反应式:
2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4。
2.易错警示
(1)书写电解池中电极反应式时,要以实际放电的离子表示,但书写电解总反应式时,弱电解质要写成分子式。
(2)书写电解总反应式,要确保两极电子转移数目相等,且注明条件“电解”。
(3)电解水溶液时,应注意放电顺序中H+、OH-之后的离子一般不参与放电。
核心知识2　电解的应用
1.电解饱和食盐水
(1)电解流程图
(2)电极反应
阳极反应式:2Cl--2e-══Cl2↑( 氧化 反应);
阴极反应式:2H++2e-══H2↑( 还原 反应)。
(3)电解总反应式:2NaCl+2H2O 2NaOH+H2↑+Cl2↑;
离子反应方程式:2Cl-+2H2O 2OH-+H2↑+Cl2↑。
(4)应用:氯碱工业制烧碱、氯气和氢气。
2.电镀
如图为金属表面镀银的工作示意图。
(1)镀件作阴极,镀层金属银作阳极。
(2)电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。
(3)电极反应
阳极:Ag-e-══Ag+;
阴极:Ag++e-══Ag。
(4)特点:阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。
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
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠
2NaCl(熔融) 2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:2Cl--2e-══Cl2↑;
阴极:2Na++2e-══2Na。
(2)冶炼铝
2Al2O3(熔融) 4Al+3O2↑
电极反应:
阴极:4Al3++12e-══4Al。
核心知识3　离子交换膜
1.类型
种类 说明
阳离子交换膜 只允许阳离子通过
阴离子交换膜 只允许阴离子通过
质子交换膜 只允许H+通过
2.离子交换膜的作用
(1)在原电池中:向负极区迁移的一定是阴离子穿过阴离子交换膜;向正极区迁移的一定是阳离子穿过阳离子交换膜。
(2)在电解池中:向阴极区迁移的一定是阳离子穿过阳离子交换膜;向阳极区迁移的一定是阴离子穿过阴离子交换膜。
3.应用说明
装置类型 装置特点
原电池中离子交换膜的作用——浓差电池 用如图所示装置进行实验,观察到灵敏电流计指针发生偏转。
①a、b电极均为Ag单质;
②左池为稀的AgNO3溶液,右池为浓的
AgNO3溶液,只有两边AgNO3溶液浓度
不同,才能形成浓差电池;
③离子交换膜的作用:使两边Ag+浓度
不同,平衡两边的电荷;
④随着反应进行,左右两池浓度的差值逐渐减小,外电路中电流将减小,电流计指针偏转幅度逐渐变小;当左右两侧离子浓度相等时,电池将停止工作,不再有电流产生,此时溶液中左、右两边硝酸银溶液的物质的量浓度相等
核心知识4　金属的腐蚀与防护
1.金属腐蚀的类型
(1)化学腐蚀与电化学腐蚀
(2)析氢腐蚀与吸氧腐蚀以钢铁的腐蚀为例进行分析
铁锈的形成:4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3,
2Fe(OH)3══Fe2O3·xH2O(铁锈)+(3-x)H2O。
2.金属的防护
(1)电化学防护
①牺牲阳极的阴极保护法—原电池原理
a.负极:比被保护金属活泼的金属;
b.正极:被保护的金属设备。
②外加电流的阴极保护法—电解原理
a.阴极:被保护的金属设备;
b.阳极:惰性金属。
(2)改变金属的内部结构,如制成合金、不锈钢等。
(3)加防护层,如在金属表面喷油漆、涂油脂、电镀、喷镀或表面钝化等方法。
(4)说明
有些参考资料上,将原电池的负极(发生氧化反应)称为阳极,而原电池的正极(发生还原反应)称为阴极;金属电化学保护法中的“牺牲阳极的阴极保护法”,此处的“阳极”是原电池的负极。
3.判断金属腐蚀快慢的规律
(1)对同一电解质溶液来说,腐蚀速率的大小: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。
(2)对同一金属来说,在不同溶液中腐蚀速率的大小:强电解质溶液中>弱电解质溶液中>非电解质溶液中。
(3)活动性不同的两种金属,活动性差别越大,腐蚀越快。
(4)对同一种电解质溶液来说,电解质浓度越大,金属腐蚀一般越快。
1.(2022·江苏五校5月联考)近日,我国学者在Science报道了一种氯离子介导的电化学合成方法,能将乙烯高效清洁、选择性地转化为环氧乙烷,电化学反应的具体过程如图所示。在电解结束后,将阴、阳极电解液输出混合,便可反应生成环氧乙烷。下列说法错误的是(　　)
B
解析:根据电解池左侧乙烯转化为环氧乙烷可以推出左侧发生氧化反应,Pt电极为阳极,与电源正极相连,则Ni电极与电源负极相连,A项说法正确;阴极反应是水电离出的氢离子发生还原反应生成H2和OH-,pH增大,B项说法错误;阳极上乙烯放电,阴极上是水电离
出的氢离子放电,总反应为CH2═CH2+H2O→ +H2,C项说法正确;根据电解池左侧物质转化关系推出左侧生成HCl,右侧氢离子放电生成H2和OH-,在电解液混合过程中会发生酸碱中和反应,D项说法正确。
2.(2022·泰州模拟)一种电化学“大气固碳”电池工作原理如图所示。该电池在充电时,通过催化剂的选择性控制,只有Li2CO3发生氧化,释放出CO2和O2。下列说法正确的是
(　　)
B.该电池既可选用含水电解液,也可选用无水电解液
C.充电时阳极发生的反应:C+2Li2CO3-4e-══3CO2↑+4Li+
D.该电池每放、充4 mol电子一次,理论上能固定1 mol CO2
D
解析:放电时正极上发生还原反应,正极反应式为3CO2+4e-+4Li+══C+2Li2CO3,A错误;由于该电池的电极材料之一是金属Li,故不能选用含水电解液,B错误;在充电时,只有Li2CO3发生氧化,且产生的气体为CO2和O2,故在该电极上是-2价的O失电子,电极反应式为2Li2CO3-4e-══4Li++2CO2↑+O2↑,C错误;充电时阴极上是Li+得电子生成Li,根据原电池正极反应和电解池的阳极反应可知,D正确。
3.在潮湿的深层土壤中,钢管主要发生厌氧腐蚀,有关厌氧腐蚀的机理有多种,其中一种理论为厌氧细菌可促使 与H2反应生成S2-,加速钢管的腐蚀,其反应原理如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.正极的电极反应式:2H2O+2e-══H2↑+2OH-
C.钢管腐蚀的直接产物中含有FeS、Fe(OH)3
D.在钢管表面镀锌可减缓钢管的腐蚀
C
解析:在潮湿的深层土壤中钢管主要发生厌氧腐蚀,没有氧气参与反应,正极上水发生还原反应生成H2,电极反应式为2H2O+2e-══2OH-+H2↑,A项说法正确; 与H2在厌氧细菌的催化作用下反应生成S2-和H2O,根据得失电子守恒和元素守恒可知,离子反应式为4H2+ ══S2-+4H2O,B项说法正确;钢铁发生析氢腐蚀时,负极Fe失电子发生氧化反应生成Fe2+,与正极周围的S2-、OH-分别反应,所以钢管腐蚀的直接产物中含有FeS、Fe(OH)2,C项说法错误;原电池中,作负极的金属加速被腐蚀,作正极的金属被保护,镀层破损后Fe、Zn和电解质溶液构成原电池时,锌更活泼,易失电子作负极,Fe作正极,所以Fe被保护,镀层还有对钢管隔离防护的作用,故在钢管表面镀锌可以减缓钢管的腐蚀,D项说法正确。
A
5.(2022·苏州模拟)高能LiFePO4电池多应用于公共交通,结构如图所示。电池中间是聚合物的隔膜,其主要作用是在反应过程中只让Li+通过,原理为 (1-x)LiFePO4+xFePO4 +LixCn LiFePO4+nC。下列说法错误的是(　　)
A.放电时,Li+向正极移动
B.放电时,电子由负极→用电器→正极
C.充电时,阴极反应式为xLi++nC+xe-══LixCn
D.充电时,阳极质量增加
D
解析:放电时原电池内部阳离子向正极移动,A项说法正确;原电池中电子流向是负极—导线—用电器—导线—正极,则放电时,电子由负极经导线→用电器→正极,B项说法正确;根据总反应(1-x)LiFePO4+xFePO4+LixCn LiFePO4+nC可知,充电时,阴极C变为LixCn,电极反应式为xLi++nC+xe-══LixCn,C项说法正确;充电时,阳极质量减少,D项说法错误。
1.(2022·盐城中学)中科院研制出了双碳双离子电池,以石墨(Cn )和中间相炭微粒球(MCMB)为电极,电解质溶液为含有KPF6的有机溶液,其充电示意图如图所示。其反应机理为:充电时,电解液中的钾离子运动到中间相碳微粒球负极表面,并嵌入至石墨层中,同时六氟磷酸根阴离子插层到正极石墨中;放电时,钾离子从负极石墨层中脱出,同时正极石墨中的六氟磷酸根脱嵌回到电解液中。
下列说法正确的是(　　)
A.放电时石墨电极的电势比MCMB电极电势低
C
2.(2022·盐城模拟)如图为工业上采用电化学法对煤脱硫处理的模拟装置图。下列说法不正确的是(　　)
A.石墨1上发生氧化反应,电源a极为正极
B.电流由石墨1经电解质混合液回到石墨2
D.若12 g FeS2被处理时,溶液中H+变化的数目为1.6NA
D
3.(2022·南京模拟)采用惰性电极,以氮气和水为原料通过电解法制备氨的装置如图所示。下列说法不正确的是(　　)
A.电解时,溶液中K+向a极移动
B.电解时,电子由电源负极经导线流向a极
C.电解时,a极上发生反应:N2+6e-+6H+══2NH3
D.电解一段时间后,b极附近溶液的pH减小
C
解析:由图示可知,N2在阴极得电子生成NH3,故a极为阴极、b极为阳极,电解时溶液中的K+向阴极移动,A项说法正确;电解时电子由负极经导线流向电解池的阴极,B项说法正确;电解时,N2在a极得到电子生成NH3,由于电解质溶液显碱性,故电极反应式中不能出现H+,正确的电极反应式为N2+6e-+6H2O══2NH3+6OH-,C项说法错误;电解时,b极上的电极反应为4OH--4e-══O2↑+2H2O,D项说法正确。
4.(2022·苏北七市二模)甲烷是良好的制氢材料。我国科学家发明了一种500 ℃时,在含氧离子(O2-)的熔融碳酸盐中电解甲烷的方法,实现了无水、零排放的方式生产H2和C。反应原理如图所示。下列说法正确的是(　　)
A.X为电源的负极
C.电解一段时间后熔融盐中O2-的物质的量变大
D.该条件下,每产生22.4 L H2,电路中转移2 mol电子
B
5.(2022·无锡模拟)以NaClO2溶液和NaCl溶液为原料,采用电解法制备ClO2气体具有效率高和产品纯度高的优点,其原理如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.电解时化学能转化为电能
B.电解时NaCl溶液浓度保持不变
C.电解时Na+由b极区向a极区迁移
D
解析:电解时电能转化为化学能,A错误;电解时,在阴极上H2O得电子生成H2,溶剂减少使得NaCl溶液的浓度增大,B错误;电解时,溶液中的阳离子向阴极移动,故Na+由a极区向b
6.(2022·南通模拟)国内某高校化学研究团队利用微生物电池除去废水中的CH3COO-,该电池装置如图所示。下列有关说法正确的是(　　)
A.该电池能在高温下工作
B.不锈钢是电池的负极
C.石墨电极上发生的电极反应为CH3COO-+8e-+7OH-══2CO2↑+5H2O
D.电池工作时,H+透过质子交换膜向不锈钢电极迁移
D
解析:由于高温条件下微生物会失去活性,故该电池不能在高温下工作,A错误;由图示可知,在不锈钢电极上[Fe(CN)6]3-(Fe为+3价)得电子生成[Fe(CN)6]4-(Fe为+2价),故不锈钢电极为正极,B错误;在石墨电极上CH3COO-失电子生成CO2,C错误;电池工作时,阳离子向正极迁移,D正确。