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高考化学二轮电化学原理学案

时间:2016-05-06 11:13:44作者:佚名教案来源:网络
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第八讲 电化学原理
 2016高考导航——适用于全国卷Ⅰ

最新考纲 高频考点 高考印证 命题趋势
1.了解原电池和电解池的工作原理,能写出电极反应和电池反应方程式。了解常见化学电源的种类及其工作原理。
2.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。 原电池原理及其应用 2015•T11
2013•T10
2013•T28 电化学是高考的热点,题型以传统题型为主,其中原电池的工作原理、电解产物的判断与计算、电极及电池反应方程式的书写都是命题的热点内容,分值约4~6分;预计2016年高考中电化学考点还有“变热”的趋势,题目也会更加新颖。要特别注意提高根据题中所给信息书写电极反应式及电池反应方程式的能力。
 电解原理及其应用 2014•T27 
 电化学知识及其规律的综合应用 2013•T27 
,


考点一 原电池原理及其应用
 


[学生用书P36]

 


 
1.原电池正、负极的判断
(1)根据电极材料。一般是较活泼的金属为负极,活泼性较弱的金属或能导电的非金属为正极。
(2)根据电子流动方向或电流方向。电子流动方向:由负极→正极;电流方向:由正极→负极。
(3)根据原电池电解质溶液中离子的移动方向。在原电池的电解质溶液内,阳离子向正极移动,而阴离子向负极移动。
(4)根据原电池两极发生的变化。原电池的负极总是失电子,发生氧化反应;而正极总是得电子,发生还原反应。
2.不同介质下电极反应式的书写
(1)书写步骤
 
(2)介质对电极反应式书写的影响
①中性溶液中,反应物若是H+得电子或OH-失电子,则H+或OH-均来自于水的电离。
②酸性溶液中,反应物或生成物中均没有OH-。
③碱性溶液中,反应物或生成物中均没有H+。
④水溶液中不能出现O2-。
 
 

    原电池原理的应用

1.(原电池原理应用类)(2015•高考全国卷Ⅰ,T11,6分)微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置,其工作原理如图所示。下列有关微生物电池的说法错误的是(  )
 
A.正极反应中有CO2生成
B.微生物促进了反应中电子的转移
C.质子通过交换膜从负极区移向正极区
D.电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O
[破题关键] 电池内部电流方向从负极到正极,故H+从负极产生,流向正极参加正极反应。
解析:选A。图示所给出的是原电池装置。A.有氧气反应的一极为正极,发生还原反应,因为有质子通过,故正极电极反应式为O2+4e-+4H+===2H2O;在负极,C6H12O6在微生物的作用下发生氧化反应,电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2↑+24H+,则负极上有CO2产生,故A不正确。B.微生物电池是指在微生物作用下将化学能转化为电能的装置,所以微生物促进了反应中电子的转移,故B正确。C.质子是阳离子,阳离子由负极区移向正极区,故C正确。D.正极的电极反应式为6O2+24e-+24H+===12H2O,负极的电极反应式为C6H12O6-24e-+6H2O===6CO2↑+24H+,两式相加得电池总反应为C6H12O6+6O2===6CO2+6H2O,故D正确。
[互动拓展]
(1)任何化学反应都能设计成原电池吗?
(2)两种金属作电极时,较活泼的金属一定作负极吗?
答案:(1)必须是能自发进行的氧化还原反应才能设计成原电池,非氧化还原反应没有电子的转移,必然无法设计成原电池。
(2)不一定,如镁、铝为电极,NaOH作电解质溶液时,由于Mg与NaOH溶液不反应而Al能,故铝作负极。
  (2015•河南郑州高三月考)某原电池装置如图所示,盐桥中装有用饱和氯化钾溶液浸泡过的琼脂。下列叙述正确的是(  )
 
A.原电池工作一段时间后,FeCl2溶液中c(Cl-)会增大
B.此电池工作原理与硅太阳能电池工作原理相同
C.Fe为正极,石墨上发生的反应为2H++2e-===H2↑
D.若装置中的盐桥用铁丝代替,电流表指针有偏转
解析:选A。A项,在原电池中,阴离子移向负极(Fe),故A正确;B项,硅太阳能电池的原理是半导体的光电效应,故B错误;C项,在该原电池中,Fe为负极,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+;石墨为正极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,故C错误;D项,若将盐桥换成铁丝,电流表指针不会发生偏转,故D错误。
2.(2015•河北廊坊诊断)某合作学习小组的同学利用下列氧化还原反应设计原电池:2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4===2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O。盐桥中装有饱和K2SO4溶液,下列叙述中正确的是(  )
 
A.乙烧杯中发生还原反应
B.甲烧杯中溶液的pH逐渐减小
C.电池工作时,盐桥中的SO2-4移向甲烧杯
D.外电路的电流方向是从a到b
解析:选D。乙烧杯中发生氧化反应:Fe2+-e-===Fe3+,A项错误;甲烧杯中发生还原反应:MnO-4+8H++5e-===Mn2++4H2O,c(H+)减小,pH增大,B项错误;电池工作时,乙烧杯中正电荷增多,盐桥中的SO2-4移向乙烧杯,C项错误;外电路的电流方向是从正极(a)到负极(b),D项正确。
 

    电极反应式的考查

1.(2015•高考江苏卷)一种熔融碳酸盐燃料电池原理示意图如下。下列有关该电池的说法正确的是(  )
 
A.反应CH4+H2O=====催化剂△3H2+CO,每消耗1 mol CH4转移12 mol电子
B.电极A上H2参与的电极反应为H2+2OH--2e-===2H2O
C.电池工作时,CO2-3向电极B移动
D.电极B上发生的电极反应为O2+2CO2+4e-===2CO2-3
解析:选D。A选项,甲烷中的C为-4价,一氧化碳中的C为+2价,每个碳原子失去6个电子,因此每消耗1 mol甲烷失去6 mol电子,所以错误;B选项,熔融盐中没有氢氧根离子,因此氢氧根离子不能参与电极反应,电极反应式应为H2+CO+2CO2-3-4e-===3CO2+H2O,所以错误;C选项,碳酸根离子应向负极移动,即向电极A移动,所以错误;D选项,电极B上氧气和二氧化碳得电子生成碳酸根离子,所以正确。
2.(2014•高考大纲卷)如图是在航天用高压氢镍电池基础上发展起来的一种金属氢化物镍电池(MH­Ni电池)。下列有关说法不正确的是(  )
 
A.放电时正极反应为NiOOH+H2O+e-===Ni(OH)2+OH-
B.电池的电解液可为KOH溶液
C.充电时负极反应为MH+OH--e-===H2O+M
D.MH是一类储氢材料,其氢密度越大,电池的能量密度越高
解析:选C。A.在原电池的负极发生的是氧化反应,在原电池的正极发生的是还原反应,分析化合价的升降,可知A选项正确;B.因为本电池为金属氢化物镍电池,又有Ni(OH)2等产生,因此可用碱性溶液作电解质溶液,B选项正确;C.该反应为放电时的负极反应,C选项错误;D.氢密度越大,单位体积内放出的电量越多,电池的能量密度越高,D选项正确。
 


 


 

 燃料电池电极反应式书写技巧和步骤
(1)电极反应式属于以离子反应表达的氧化还原半反应,要遵循离子方程式的拆分物质的规则。
(2)电极反应式的主要框架(待配平)
①酸性电解液
负极:还原剂-xe-+―→氧化产物+H+
正极:氧化剂+xe-+H+―→还原产物
②非酸性电解质(包括碱溶液、熔融碳酸盐及氧化物)
负极:还原剂-xe-+阴离子―→氧化产物
正极:氧化剂+xe-+―→阴离子
(3)最后将上述框架填充配平,主要依据为电荷守恒及元素守恒。

 

 


考点二 电解原理及其应用
 


[学生用书P37]

 


 
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,两极发生的反应为“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+);如果是惰性电极作阳极,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)>含氧酸根>F-。
(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+(酸)>Pb2+>Fe2+>Zn2+>H+(水)>Al3+>Mg2+>Na+。
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。
 
 

    电解原理的应用

1.(电解原理应用类)(2014•高考上海卷)如图所示,将铁棒和石墨棒插入盛有饱和NaCl溶液的U型管中。下列分析正确的是(  )
 
A.K1闭合,铁棒上发生的反应为2H++2e-===H2↑
B.K1闭合,石墨棒周围溶液pH逐渐升高
C.K2闭合,铁棒不会被腐蚀,属于牺牲阳极的阴极保护法
D.K2闭合,电路中通过0.002NA个电子时,两极共产生0.001 mol气体
[破题关键] 正确判断装置类型,闭合K1时,装置为原电池,反应类型相当于铁的吸氧腐蚀;闭合K2时,装置为电解池,阳极为惰性电极,相当于电解食盐水。
解析:选B。A项,K1闭合构成原电池,铁棒是负极,铁棒上发生的反应为Fe-2e-===Fe2+,错误;B项,K1闭合构成原电池,石墨棒是正极,溶液中的氧气得到电子转化为OH-,使石墨棒周围溶液pH逐渐升高,正确;C项,K2闭合构成电解池,铁棒作阴极不会被腐蚀,属于外加电流的阴极电保护法,错误;D项,K2闭合构成电解池,铁棒作阴极,电极反应式为2H++2e-===H2↑,石墨棒作阳极,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑,则有2e-~H2~Cl2,所以当电路中通过0.002NA个电子时,两极均产生0.001 mol气体,共产生0.002 mol气体,错误。
[互动拓展]
(1)电解质溶液导电一定发生化学反应吗?金属导电发生什么变化?
(2)在原电池或电解池中,阴、阳离子及电子的运动情况是怎样的?
答案:(1)电解质溶液导电时一定发生化学反应,因为电解质溶液导电的过程即电解的过程,电解池的两极分别发生氧化反应、还原反应,有新物质生成。金属导电是物理变化。
(2)原电池和电解池中,阴、阳离子一定在电解质溶液或熔融态电解质中移动,电子一定在导线中移动。可简记为“离子不上岸,电子不下水”。
  (2014•高考广东卷)某同学组装了如图所示的电化学装置,电极Ⅰ为Al,其他均为Cu,则(  )
 
A.电流方向:电极Ⅳ→A→电极Ⅰ
B.电极Ⅰ发生还原反应
C.电极Ⅱ逐渐溶解
D.电极Ⅲ的电极反应:Cu2++2e-===Cu
解析:选A。当多个池串联时,两电极材料活泼性相差大的作原电池,其他池作电解池,由此可知图示中左边两池组成原电池,右边组成电解池。A.电子移动方向:电极Ⅰ→A→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,A正确。B.原电池负极在工作中失去电子,被氧化,发生氧化反应,B错误。C.原电池正极得电子,铜离子在电极Ⅱ上得电子,生成铜单质,该电极质量逐渐增大,C错误。D.电解池中阳极为非惰性电极时,电极本身失电子,形成离子进入溶液中,因为电极Ⅱ为正极,因此电极Ⅲ为电解池的阳极,其电极反应式为Cu-2e-===Cu2+,D错误。
2.(2015•高考浙江卷)在固态金属氧化物电解池中,高温共电解H2O­CO2混合气体制备H2和CO是一种新的能源利用方式,基本原理如下图所示。下列说法不正确的是(  )
 
A.X是电源的负极
B.阴极的电极反应式是H2O+2e-===H2+O2-
CO2+2e-===CO+O2-
C.总反应可表示为H2O+CO2=====电解H2+CO+O2
D.阴、阳两极生成的气体的物质的量之比是1∶1
解析:选D。A项,根据图示,X极产物为H2和CO,是H2O与CO2的还原产物,可判断在X极上发生还原反应,由此判断X极为电源的负极,A项正确;B项,根据题意,电解质为固体金属氧化物,可以传导O2-,故在阴极上发生的反应为H2O+2e-===H2+O2-、CO2+2e-===CO+O2-,B项正确;C项,根据电极产物及B项发生的电极反应可知,该反应的总反应方程式为H2O+CO2=====电解H2+CO+O2,C项正确;D项,根据C项的电解总反应方程式可知,阴、阳两极生成的气体的物质的量之比为2∶1,D项错误。
 

    可充电电池

1.Li/SO2电池具有输出功率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+2SO2 放电充电Li2S2O4。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
解析:选C。本题考查电化学知识。电池的放电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.(2015•河北保定模拟)镁及其化合物一般无毒(或低毒)、无污染,且镁原电池放电时电压高而平稳,使镁原电池越来越成为人们研制绿色原电池的焦点。其中一种镁原电池的反应为xMg+Mo3S4 放电充电MgxMo3S4。
下列说法错误的是(  )
A.放电时Mg2+向正极迁移
B.充电时阳极反应为Mo3S2x-4-2xe-===Mo3S4
C.充电时Mo3S4发生氧化反应
D.放电时负极反应为xMg-2xe-===xMg2+
解析:选C。A项,放电时阳离子向正极移动,正确;B项,充电时阳极发生氧化反应,所以Mo3S2x-4失去电子生成Mo3S4,正确;C项,充电时Mo3S4是生成物,错误;D项,放电时负极发生氧化反应,Mg失去电子生成Mg2+,正确。


 
 
 
 
(1)对于可充电电池,放电时为原电池,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。
(2)可充电电池充电时为电解池,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。

考点三 电化学知识及其规律的综合应用
 


[学生用书P39]

 


 
1.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:
 
(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。  
2.金属的腐蚀与防护
(1)两种防护方法
①加防护层
 
(2)金属腐蚀的快慢规律
电解原理引起的腐蚀>原电池原理引起的腐蚀>一般化学腐蚀>有防腐措施的腐蚀。
(3)防腐措施效果比较
外接电源的阴极保护法>牺牲阳极的阴极保护法>有一般防腐条件的防护>未采取任何防护措施。
 
 

    有关电化学的计算

1.(电化学计算类)如图所示,通电5 min后,第③极增重2.16 g,同时在A池中收集到标准状况下的气体224 mL,设A池中原混合液的体积为200 mL。
 
(1)电源F为________极;第②极为________极;B池为________池。
(2)A池中第②极上的电极反应式为________________;A池中第①极上产生气体体积为________ mL(标准状况下)。
(3)通电前A池中原混合溶液中Cu2+的浓度为________。
[破题关键] 根据电极现象判断电极属性,在电解池中,增重的必是阴极;串联的电解装置中,每个电极转移的电子数相等。
解析:(1)由第③极增重2.16 g可知①③是电解池的阴极,②④是电解池的阳极,E是电源的负极,F是电源的正极。又因为B池的阳极是银,电解质溶液是硝酸银溶液,故该池是电解(镀)池。(2)A池中,第②极只发生反应4OH--4e-===2H2O+O2↑。因为第③极增重2.16 g是银的质量,即转移电子2.16 g÷108 g•mol-1=0.02 mol,所以A池中产生氧气0.02 mol÷4×22.4 L•mol-1=0.112 L,即112 mL,在阴极,发生电极反应Cu2++2e-===Cu,2H++2e-===H2↑,且氢气的体积是224 mL-112 mL=112 mL。(3)A池中产生氢气的物质的量为0.005 mol,据电子守恒得Cu2+的物质的量是(0.02 mol-0.005 mol×2)÷2=0.005 mol,故通电前A池中原混合溶液中Cu2+的浓度为0.005 mol÷0.2 L=0.025 mol•L-1。
答案:(1)正 阳 电解(镀)
(2)4OH--4e-===2H2O+O2↑ 112
(3)0.025 mol•L-1
[互动拓展]
电解池问题中,如何判断电极区域的酸碱性变化?有何数量关系?
答案:①若阴极为H+放电,则阴极区c(OH-)增大;若阳极为OH-放电,则阳极区c(H+)增大;若阴极上H+放电,同时阳极上OH-放电,相当于电解水。
②电解过程中产生的H+或OH-,其物质的量等于转移电子的物质的量。
  如图所示,其中甲池的总反应式为2CH3OH+3O2+4KOH===2K2CO3+6H2O,下列说法正确的是(  )
 
A.甲池是电能转化为化学能的装置,乙、丙池是化学能转化为电能的装置
B.甲池通入CH3OH的电极反应式为CH3OH-6e-+2H2O===CO2-3+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
解析:选D。A项,甲池为原电池,作为电源,则乙池、丙池为两个电解池。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-===CO2-3+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。
2.乙醛酸 是有机合成的重要中间体。工业上用“双极室成对电解法”生产乙醛酸,原理如图所示,该装置中阴、阳两极为惰性电极,两极室均可产生乙醛酸,其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸。
 
(1)N电极上的电极反应式为________________________________________________________________________。
(2)若有2 mol H+通过质子交换膜,并完全参与了反应,则该装置中生成的乙醛酸为________mol。
解析:(1)由H+的迁移方向可知N为阴极,发生得电子的还原反应,结合题意“两极室均可产生乙醛酸”,可知N电极为乙二酸发生得电子的还原反应生成乙醛酸。(2)1 mol乙二酸在阴极得到2 mol电子,与2 mol H+反应生成1 mol乙醛酸和1 mol H2O,同时在阳极产生的1 mol Cl2能将1 mol乙二醛氧化成1 mol乙醛酸,两极共产生2 mol乙醛酸。
答案:(1)HOOC—COOH+2e-+2H+===
HOOC—CHO+H2O (2)2
 


 


 

 
(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,进一步判断其他“电解池”的阴、阳极。

 

    金属的腐蚀与防护

1.下列金属防腐的措施中,使用外加电流的阴极保护法的是(  )
A.水中的钢闸门连接电源的负极
B.金属护栏表面涂漆
C.汽车底盘喷涂高分子膜
D.地下钢管连接镁块
解析:选A。A.水中的钢闸门连接电源的负极,即使用了外加电流。B.金属护栏表面涂漆,是一种使用外加涂层而使金属隔绝空气和水分的保护方法。C.汽车底盘喷涂高分子膜,也是一种使用外加涂层而使金属隔绝空气和水分的保护方法。D.地下钢管连接镁块,是牺牲阳极的阴极保护法。
2.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管道的腐蚀,镁块相当于原电池的正极
解析:选C。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-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。
 

电化学问题的常见认识误区
1.误认为原电池中负极材料一定比正极材料活泼。其实不一定,如Mg和Al用导线相连放在NaOH溶液中形成原电池时,铝作负极。
2.误认为原电池质量增加的一极一定为原电池的正极。其实不一定,如铅蓄电池的负极,在工作时,电极由Pb转变为PbSO4,质量增加。
3.误认为原电池的负极一定参加反应。其实不一定,如氢氧燃料电池的负极本身不参加反应,通入的燃料发生反应。
4.用惰性电极电解饱和食盐水后,误认为要想恢复至原状需加入适量盐酸。其实不然,应该通入HCl气体。
5.误认为电解熔融的AlCl3可以制备Al。其实不然,因为AlCl3是共价化合物,熔融状态不导电,不能被电解,应该电解熔融的Al2O3制备Al。
6.误认为电解过程中如果只电解水,溶液的pH一定不变。其实不一定,如电解NaOH溶液,c(OH-)变大,pH增大;电解H2SO4溶液,c(H+)变大,pH减小。
 

 

1.下列有关电化学的示意图中正确的是(  )
 
解析:选D。选项A,Zn应为原电池负极,Cu为原电池正极。选项B,盐桥两边的烧杯中盛装的电解质溶液应互换。选项C,粗铜应连接电源正极。选项D,电解饱和NaCl溶液,Cl-在阳极放电产生Cl2,H+在阴极获得电子而产生H2,正确。
2.下列有关钢铁腐蚀与防护的说法正确的是(  )
A.钢管与电源正极连接,钢管可被保护
B.铁遇冷浓硝酸表现钝化,可保护内部不被腐蚀
C.钢管与铜管露天堆放在一起时,钢管不易被腐蚀
D.钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应为Fe-3e-===Fe3+
解析:选B。钢管与电源正极相连,则钢管作阳极,发生氧化反应而被腐蚀,A项错误;铁遇冷浓硝酸表面钝化,在表面生成一层致密的氧化膜保护内部不被腐蚀,B项正确;钢管与铜管露天堆放在一起,形成原电池时钢管作负极,发生氧化反应而被腐蚀,C项错误;钢铁发生析氢腐蚀时,负极反应为Fe-2e-===Fe2+,D项错误。
3.(2015•浙江丽水二模)下图是CO2电催化还原为CH4的工作原理示意图。下列说法不正确的是(  )
 
A.该过程是电能转化为化学能的过程
B.铜电极的电极反应式为CO2+8H++8e-===CH4+2H2O
C.一段时间后,①池中n(KHCO3)不变
D.一段时间后,②池中溶液的pH一定减小
解析:选C。分析工作原理示意图可知此装置为电解池,铜电极通入CO2,还原为CH4,所以铜电极为阴极,发生还原反应:CO2+8H++8e-===CH4+2H2O,铂电极为阳极,OH-放电,生成H+,导致pH减小,同时盐桥中的K+向①池中移动,①池中溶有CO2,故n(KHCO3)增大,C项错误。
4.(2015•高考四川卷)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,阳极产生的ClO-将CN-氧化为两种无污染的气体,下列说法不正确的是(  )
 
A.用石墨作阳极,铁作阴极
B.阳极的电极反应式:Cl-+2OH- -2e-===ClO-+H2O
C.阴极的电极反应式:2H2O+2e-===H2↑+2OH-
D.除去CN-的反应:2CN-+5ClO-+2H+===N2↑+2CO2↑+5Cl-+H2O
解析:选D。A.由题干信息可知Cl-在阳极放电生成ClO-,则阳极应为惰性电极,A项正确;B.Cl-在阳极放电生成ClO-,Cl的化合价升高,故在阳极发生氧化反应,又已知该溶液呈碱性,B项正确;C.阳离子在电解池的阴极得电子发生还原反应,在碱性条件下,H2O提供阳离子(H+),C项正确;D.由于溶液是碱性条件,故除去CN-发生的反应为2CN-+5ClO- +H2O===N2↑+2CO2↑+5Cl-+2OH-,D项错误。
5.(2015•高考福建卷)某模拟“人工树叶”电化学实验装置如下图所示,该装置能将H2O和CO2转化为O2和燃料(C3H8O)。下列说法正确的是(  )
 
A.该装置将化学能转化为光能和电能
B.该装置工作时,H+从b极区向a极区迁移
C.每生成1 mol O2,有44 g CO2被还原
D.a电极的反应为3CO2+18H+-18e-===C3H8O+5H2O
解析:选B。该装置为电解装置,模拟“人工树叶”,故为电能转化为化学能,A项错误;b极连接电源的正极,为阳极,H+为阳离子,在电解池中向a极(阴极)区移动,B项正确;右侧H2O→O2 发生的是氧化反应,每生成1 mol O2,转移4 mol电子,C3H8O中碳元素的化合价是-2,3CO2→C3H8O,转移18 mol电子,故生成1 mol O2消耗 2/3 mol CO2,C项错误;a电极发生的是还原反应:3CO2+18H++18e-===C3H8O+5H2O,D项错误。
6.(2015•高考天津卷)锌铜原电池装置如图所示,其中阳离子交换膜只允许阳离子和水分子通过,下列有关叙述正确的是(  )
 
A.铜电极上发生氧化反应
B.电池工作一段时间后,甲池的c(SO2-4)减小
C.电池工作一段时间后,乙池溶液的总质量增加
D.阴阳离子分别通过交换膜向负极和正极移动,保持溶液中电荷平衡
解析:选C。A.Cu作正极,电极上发生还原反应,错误;B.电池工作过程中,SO2-4不参加电极反应,故甲池的c(SO2-4)基本不变,错误;C.电池工作时,甲池反应为Zn-2e-===Zn2+,乙池反应为Cu2++2e-===Cu,甲池中Zn2+会通过阳离子交换膜进入乙池,以维持溶液中电荷平衡,由电极反应式可知,乙池中每有64 g Cu析出,则进入乙池的Zn2+为65 g,溶液总质量略有增加,正确;D.由题干信息可知,阴离子不能通过阳离子交换膜,错误。
7.(2014•高考福建卷)某原电池装置如图所示,电池总反应为2Ag+Cl2===2AgCl。下列说法正确的是(  )
 
A.正极反应为AgCl+e-===Ag+Cl-
B.放电时,交换膜右侧溶液中有大量白色沉淀生成
C.若用NaCl溶液代替盐酸,则电池总反应随之改变
D.当电路中转移0.01 mol e-时,交换膜左侧溶液中约减少0.02 mol离子
解析:选D。根据电池总反应可以看出Cl2得电子,Ag失电子,所以在原电池中Cl2在正极上发生还原反应,Ag在负极上发生氧化反应。正极反应为Cl2+2e-===2Cl-,A项错误。因为电解质溶液为盐酸,所以负极上Ag失电子生成的Ag+随即与附近的Cl-反应,B项错误。用氯化钠代替盐酸后,电极反应不发生改变,C项错误。当电路中转移0.01 mol e-时,负极生成0.01 mol Ag+,由于Ag++Cl-===AgCl↓,所以消耗0.01 mol Cl-,由于电荷守恒,同时有0.01 mol H+通过阳离子交换膜转移至右侧,D项正确。
8.利用下图装置,可以模拟铁的电化学防护。
 
(1)若X为Zn,开关K置于M处,X电极为________极,电极反应式为________________________,铁电极反应式为______________________,此种防护法称为________________。
(2)若X为碳棒,开关K置于N处,X为________极,电极反应为____________________________,此种防护法称为______________________。
(3)若X为Cu,开关K置于N处,X电极反应式为____________________,铁电极反应式为________________________________________________________________________。
解析:(1)X为Zn,开关K置于M处,构成Zn­Fe原电池,Zn作负极被氧化。(2)X为碳棒,开关K置于N处,构成电解池,X作阳极,OH-放电。(3)X为铜,开关K置于N处,Cu作阳极,Cu失电子变成Cu2+,被氧化。
答案:(1)负 2Zn-4e-===2Zn2+ O2+2H2O+4e-===4OH- 牺牲阳极的阴极保护法
(2)阳 4OH--4e-===O2↑+2H2O 外接电流的阴极保护法
(3)Cu-2e-===Cu2+ 2H++2e-===H2↑
9.(2015•高考重庆卷)我国古代青铜器工艺精湛,有很高的艺术价值和历史价值。但出土的青铜器大多受到环境腐蚀,故对其进行修复和防护具有重要意义。
(1)原子序数为29的铜元素位于元素周期表中第________周期。
(2)某青铜器中Sn、Pb的质量分别为119 g、20.7 g,则该青铜器中Sn和Pb原子的数目之比为________。
(3)研究发现,腐蚀严重的青铜器表面大都存在CuCl。关于CuCl在青铜器腐蚀过程中的催化作用,下列叙述正确的是________。
A.降低了反应的活化能
B.增大了反应的速率
C.降低了反应的焓变
D.增大了反应的平衡常数
(4)采用“局部封闭法”可以防止青铜器进一步被腐蚀。如将糊状Ag2O涂在被腐蚀部位,Ag2O与有害组分CuCl发生复分解反应,该化学方程式为________________________________________________________________________
________________________。
(5)如图所示为青铜器在潮湿环境中发生电化学腐蚀的原理示意图。
 
①腐蚀过程中,负极是________(填图中字母“a”或“b”或“c”);
②环境中的Cl-扩散到孔口,并与正极反应产物和负极反应产物作用生成多孔粉状锈Cu2(OH)3Cl,其离子方程式为________________________________________________________________________;
③若生成4.29 g Cu2(OH)3Cl,则理论上耗氧体积为________L(标准状况)。
解析:(1)铜位于元素周期表的第四周期。
(2)119 g Sn的物质的量为1 mol,20.7 g Pb的物质的量为0.1 mol,因此Sn和Pb原子的数目之比为10∶1。
(3)催化剂能降低反应的活化能和加快反应速率,但不改变反应的平衡常数和焓变,所以A、B正确。
(4)复分解反应为相互交换成分的反应,因此该反应的化学方程式为Ag2O+2CuCl===2AgCl+Cu2O。
(5)①负极发生失电子的反应,铜作负极失电子,因此负极为c。负极反应:Cu-2e-===Cu2+,正极反应:O2+2H2O+4e-===4OH-。
②正极产物为OH-,负极产物为Cu2+,两者与Cl-反应生成Cu2(OH)3Cl,其离子方程式为2Cu2++3OH-+Cl-===Cu2(OH)3Cl↓。
③4.29 g Cu2(OH)3Cl的物质的量为0.02 mol,由Cu元素守恒知,发生电化学腐蚀失电子的Cu单质的物质的量为0.04 mol,失去电子0.08 mol,根据电子守恒可得,消耗O2的物质的量为0.02 mol,所以理论上消耗氧气的体积为 0.448 L(标准状况)。
答案:(1)四 (2)10∶1 (3)AB
(4)Ag2O+2CuCl===2AgCl+Cu2O
(5)①c ②2Cu2++3OH-+Cl-===Cu2(OH)3Cl↓ ③0.448
10.(1)火箭的第一、二级发动机中,所用的燃料为偏二甲肼和四氧化二氮,偏二甲肼可用肼来制备。
①用肼(N2H4)作燃料,四氧化二氮作氧化剂,两者反应生成氮气和气态水。
已知:N2(g)+2O2(g)===N2O4(g)
ΔH=+10.7 kJ•mol-1
N2H4(g)+O2(g)===N2(g)+2H2O(g)
ΔH=-543  kJ•mol-1
写出气态肼和N2O4反应的热化学方程式:________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②已知四氧化二氮在大气中或在较高温度下很难稳定存在,它很容易转化为二氧化氮。试推断出二氧化氮制取四氧化二氮的反应条件(或措施):________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池,其效率更高,可用于航空航天。如图1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ZrO2固体,它在高温下能传导阳极生成的O2-离子(O2+4e-===2O2-)。
 
 ①c电极的名称为________,d电极上的电极反应式为
________________________________________________________________________。
②如图2所示为电解100 mL 0.5 mol•L-1CuSO4溶液,a电极上的电极反应式为________________________________________________________________________。
若a电极产生56 mL(标准状况)气体,则所得溶液的pH=__________(不考虑溶液体积变化),若要使电解质溶液恢复到电解前的状态,可加入__________(填序号)。
a.CuO        b.Cu(OH)2
c.CuCO3  d.Cu2(OH)2CO3
解析:(1)①N2(g)+2O2(g)===N2O4(g)
ΔH=+10.7 kJ•mol-1 Ⅰ
N2H4(g)+O2(g)===N2(g)+2H2O(g)
ΔH=-543 kJ•mol-1 Ⅱ
根据盖斯定律可知,所求反应的热化学方程式可以由Ⅱ×2-Ⅰ得到:2N2H4(g)+N2O4(g)===3N2(g)+4H2O(g) ΔH=-1 096.7 kJ•mol-1。
②四氧化二氮在高温下很难稳定存在,而NO2生成N2O4的反应为气体体积减小的反应,故二氧化氮转化为四氧化二氮的条件可以是高压、低温。
(2)①电流从正极流向负极,故c、d分别为正极、负极。燃料电池的负极为通入燃料的一极,故其电极反应式为CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O。
②a为电解池的阳极:4OH--4e-===2H2O+O2↑;b为阴极:2Cu2++4e-===2Cu,当阳极产生56 mL气体时,被电解的OH-的物质的量为56 mL22 400 mL•mol-1×4=0.01 mol,故溶液中c(H+)=0.01 mol0.1 L=0.1 mol•L-1,故溶液的pH=1。此时阴极析出0.05 mol Cu,Cu2+恰好完全放电。为恢复电解质溶液的原状,根据“出什么加什么”原理,只要相当于加入CuO即可,a项可以,b项 Cu(OH)2可以拆为CuO•H2O,c项 CuCO3拆为CuO•CO2,d项Cu2(OH)2CO3可拆为2CuO•H2O•CO2,其中c项也可选。
答案:(1)①2N2H4(g)+N2O4(g)===3N2(g)+4H2O(g) ΔH=-1 096.7 kJ•mol-1 ②高压、低温(或加压、降温)
(2)①正极 CH4-8e-+4O2-===CO2+2H2O
②4OH--4e-===2H2O+O2↑ 1 ac
11.(2015•高考山东卷)利用LiOH和钴氧化物可制备锂离子电池正极材料。LiOH可由电解法制备,钴氧化物可通过处理钴渣获得。
(1)利用如图所示装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。B极区电解液为________溶液(填化学式),阳极电极反应式为________________________________________________________________________,
电解过程中Li+向________电极迁移(填“A”或“B”)。
 
(2)利用钴渣[含Co(OH)3、Fe(OH)3等]制备钴氧化物的工艺流程如下:
 
Co(OH)3溶解还原反应的离子方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
铁渣中铁元素的化合价为________。在空气中煅烧CoC2O4生成钴氧化物和CO2,测得充分煅烧后固体质量为2.41 g,CO2体积为1.344 L(标准状况),则钴氧化物的化学式为________。
解析:(1)根据电解装置图,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液,B极区产生H2,电极反应式为2H++2e-===H2↑,剩余OH-与Li+结合生成LiOH,所以B极区电解液应为LiOH溶液,B电极为阴极,则A电极应为阳极。阳极区电解液应为LiCl溶液,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑。根据电流方向,电解过程中Li+向B电极迁移。
(2)酸性条件下,Co(OH)3首先与H+反应生成Co3+,Co3+具有氧化性,可将SO2-3氧化为SO2-4,根据电子守恒和质量守恒定律,配平可得:2Co(OH)3+4H++SO2-3===SO2-4+2Co2++5H2O。由于NaClO3和O2具有氧化性,铁渣中铁元素应为+3价。在空气中煅烧CoC2O4生成钴氧化物和CO2,设钴氧化物的分子式为CoxOy,则有
xCoC2O4+y2O2=====煅烧CoxOy + 2xCO2
      (59x+16y) g     2x mol
        2.41 g 1.344 L22.4 L•mol-1=0.06 mol
则有(59x+16y)×0.06=2.41×2x,得x∶y=3∶4。
所以钴氧化物的化学式为Co3O4。
答案:(1)LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B 
(2)2Co(OH)3+SO2-3+4H+===2Co2++SO2-4+5H2O[或Co(OH)3+3H+===Co3++3H2O,2Co3++SO2-3+H2O===2Co2++SO2-4+2H+] +3 Co3O4


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