电解池的原理及应用、金属腐蚀与防护
突破训练(六)
1.某研究性学习小组用如图装置研究不同能量之间的转化问题。下列说法正确的是( )
A.断开开关S1,闭合开关S2,化学能转化为电能,电能转化为光能等
B.断开开关S1,闭合开关S2,此时构成的装置属于电解池
C.断开开关S2,闭合开关S1,此时构成的装置属于原电池
D.断开开关S2,闭合开关S1,化学能转化为电能
【解析】 从装置图可知断开开关S1,闭合开关S2,构成原电池,化学能转化为电能,电能转化为光能等,A项正确,B项错误;断开开关S2,闭合开关S1,此时构成的装置属于电解池,C、D项错误。
2.糕点包装中常用的脱氧剂组成为还原性铁粉、氯化钠、炭粉等,其脱氧原理与钢铁的吸氧腐蚀相同。下列分析正确的是( )
A.脱氧过程是吸热反应,可降低温度,延长糕点保质期
B.脱氧过程是铁作原电池正极,电极反应为Fe-3e-―→Fe3+
C.脱氧过程中碳作原电池负极,电极反应为2H2O+O2+4e-
―→4OH-
D.含有1.12 g铁粉的脱氧剂,理论上最多能吸收氧气336 mL(标准状况)
【解析】 钢铁的吸氧腐蚀为放热反应,A项错误。脱氧过程,铁为负极,电极反应为Fe-2e-===Fe2+;碳作正极,电极反应为2H2O+O2+4e-===4OH-,B、C项均错误。根据电极反应可得电池反应为2Fe+O2+2H2O===2Fe(OH)2,Fe(OH)2
可继续被氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,因此可得关系式:4Fe→3O2,1.12 g Fe完全反应最多可吸收O2 336 mL(标准状况),D项正确。
3.全世界每年钢铁因锈蚀造成大量的损失。某城市拟用如图方法保护埋在酸性土壤中的钢质管道,使其免受腐蚀。关于此方法,下列说法不正确的是( )
A.土壤中的钢铁易被腐蚀是因为在潮湿的土壤中形成了原电池
B.金属棒M的材料应该是比镁活泼的金属
C.金属棒M上发生反应:M-ne-===Mn+
D.这种方法称为牺牲阳极的阴极保护法
【解析】 金属棒M只要比铁活泼即可,太活泼的金属易与水反应,B选项错误。
4.某同学设计如图所示装置,探究氯碱工业原理,下列说法正确的是( )
A.石墨电极与直流电源负极相连
B.用湿润淀粉-KI试纸在铜电极附近检验气体,试纸变蓝色
C.氢氧化钠在石墨电极附近产生, Na+向石墨电极迁移
D.铜电极的反应式为:2H+ + 2e-===H2↑
【解析】
若该装置是探究氯碱工业原理,则Cu电极应该与电源的负极连接,石墨电极与直流电源正极相连,A项错误;Cu电极为阴极,在阴极发生反应:2H++2e-===H2↑;在阳极C电极上发生反应:2Cl--2e-===Cl2↑;所以用湿润KI淀粉试纸在碳电极附近检验气体,试纸变蓝色,B项错误;由于Cu电极为阴极,在阴极发生反应:2H++2e-===H2↑;破坏了附近的水的电离平衡,最终在Cu电极附近氢氧化钠产生, Na+向铜电极迁移,C项错误;铜电极的反应式为:2H++2e-=== H2↑,D项正确。
5.验证牺牲阳极的阴极保护法,实验如下(烧杯内均为经过酸化的3%NaCl溶液)。
①
②
③
在Fe表面生成蓝色沉淀
试管内无明显变化
试管内生成蓝色沉淀
下列说法不正确的是( )
A.对比②③,可以判定Zn保护了Fe
B.对比①②,K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化
C.验证Zn保护Fe时不能用①的方法
D.将Zn换成Cu,用①的方法可判断Fe比Cu活泼
【解析】 实验②中加入K3[Fe(CN)6],溶液无变化,说明溶液中没有Fe2+;实验③中加入K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀,说明溶液中有Fe2+,A项正确;对比①②可知,①中K3[Fe(CN)6]可能将Fe氧化成Fe2+,Fe2+再与K3[Fe(CN)6]反应生成蓝色沉淀,B项正确;由以上分析可知,验证Zn保护Fe时,可以用②③做对比实验,不能用①的方法,C项正确;K3[Fe(CN)6]可将单质铁氧化为Fe2+,Fe2+与K3[Fe(CN)6]生成蓝色沉淀,附着在Fe表面,无法判断铁比铜活泼,D项错误。
6.支撑海港码头基础的钢管桩,常用外加电流的阴极保护法进行防腐,工作原理如图所示,其中高硅铸铁为惰性辅助阳极。下列有关表述不正确的是( )
A.通入保护电流使钢管桩表面腐蚀电流接近于零
B.通电后外电路电子被强制从高硅铸铁流向钢管桩
C.高硅铸铁的作用是作为损耗阳极材料和传递电流
D.通入的保护电流应该根据环境条件变化进行调整
【解析】 选C 依题意,钢管桩为阴极,电子流向阴极,阴极被保护,铁不容易失去电子,故钢管桩表面腐蚀电流(指铁失去电子形成的电流),接近于0,A项正确;阳极上发生氧化反应,失去电子,电子经外电路流向阴极,B项正确;高硅铸铁作阳极,阳极上发生氧化反应,阳极上主要是海水中的水被氧化生成氧气,惰性辅助阳极不被损耗,C项错误;根据海水对钢管桩的腐蚀情况,增大或减小电流强度,D项正确。
7.某同学利用如图所示装置探究金属的腐蚀与防护条件。(已知Fe2+遇K3[Fe(CN)6]溶液呈蓝色)。
下列说法不合理的是( )
A.①区Cu电极上产生气泡,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液后出现蓝色,Fe被腐蚀
B.②区Cu电极附近滴加酚酞后变成红色,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,Fe被腐蚀
C.③区Zn电极的电极反应式为Zn-2e-===Zn2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液未出现蓝色,Fe被保护
D.④区Zn电极的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,Fe被腐蚀
【解析】 选A ①区发生吸氧腐蚀,Cu为正极,电极反应式为O2+2H2O+4e-===4OH-,Cu电极上不产生气泡,A项错误;②区Cu为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,Cu电极附近溶液碱性增强,滴加酚酞后变成红色,Fe为阳极,被腐蚀,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,B项正确;③区Zn为负极,电极反应式为Zn-2e-===Zn2+
,Fe为正极,被保护,C项正确,④区Zn为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,Fe作阳极,被腐蚀,电极反应式为Fe-2e-===Fe2+,Fe电极附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出现蓝色,D项正确。
8.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,下列说法正确的是( )
A.电流方向:电极 Ⅳ→→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】 带盐桥的①、②装置构成原电池,Ⅰ为负极,Ⅱ为正极,装置③为电解池。A项,电子移动方向:电极Ⅰ→→电极Ⅳ,电流方向与电子移动方向相反,正确;B项,原电池负极在工作中发生氧化反应,错误;C项,原电池正极上发生还原反应,Cu2+在电极Ⅱ上得电子,生成Cu,该电极质量逐渐增大,错误;D项,电解池中阳极为活性电极时,电极本身被氧化,生成的离子进入溶液中,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+,错误。
9.以石墨电极电解200 mL CuSO4溶液,电解过程中转移电子的物质的量n(e-)与产生气体总体积V(标准状况)的关系如图所示,下列说法中正确的是( )
A.电解前CuSO4溶液的物质的量浓度为2 mol·L-1
B.忽略溶液体积变化,电解后所得溶液中c(H+)=2 mol·L-1
C.当n(e-)=0.6 mol时,V(H2)∶V(O2)=3∶2
D.向电解后的溶液中加入16 g CuO,则溶液可恢复到电解前的浓度
【解析】 电解CuSO4溶液时,阳极反应式为2H2O-4e-===O2↑+4H+
,阴极反应式为Cu2++2e-===Cu,若阴极上没有氢离子放电,则图中气体体积与转移电子物质的量的关系曲线是直线,而题图中是折线,说明阴极上还发生反应:2H++2e-===H2↑。当转移0.4 mol电子时,Cu2+恰好完全析出,n(Cu2+)==0.2 mol,根据铜原子守恒得,c(CuSO4)=c(Cu2+)==1 mol·L-1,A项错误;当转移0.4 mol电子时,生成n(H2SO4)=0.2 mol,随后相当于电解水,因为忽略溶液体积变化,所以电解后所得溶液中c(H+)==2 mol·L-1,B项正确;当n(e-)=0.6 mol时,发生反应:2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4、2H2O2H2↑+O2↑,n(H2)=0.1 mol,n(O2)=0.1 mol+0.05 mol=0.15 mol,所以V(H2)∶V(O2)=0.1 mol∶0.15 mol=2∶3,C项错误;因电解后从溶液中析出Cu、O2、H2,所以只加入CuO不能使溶液恢复到电解前的浓度,D项错误。
10.将两个铂电极插入500 mL CuSO4溶液中进行电解,通电一段时间后,某一电极增重0.064 g(设电解时该电极无氢气析出,且不考虑水解和溶液体积变化),此时溶液中氢离子浓度约为( )
A.4×10-3 mol·L-1 B.2×10-3 mol·L-1
C.1×10-3 mol·L-1 D.1×10-7 mol·L-1
【解析】 选A 阴极反应:Cu2++2e-===Cu,增重0.064 g应是生成Cu的质量,设生成H+的物质的量为x,根据总反应离子方程式:
2Cu2++2H2O 2Cu+O2↑+4H+
2×64 g 4 mol
0.064 g x
x=0.002 mol
c(H+)==4×10-3 mol·L-1。
11.在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中,c(NO)=6 mol·L-1
,用石墨电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4 L气体(标准状况),假定电解后溶液体积仍为500 mL,下列说法正确的是( )
A.电解得到的Cu的物质的量为0.5 mol
B.向电解后的溶液中加入98 g的Cu(OH)2可恢复为原溶液
C.原混合溶液中c(K+)=4 mol·L-1
D.电解后溶液中c(H+)=2 mol·L-1
【解析】 选B 石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到22.4 L气体(标准状况),n(O2)==1 mol,阳极发生2H2O-4e-===O2↑+4H+,生成1 mol氧气转移4 mol电子,阴极发生Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,生成1 mol氢气,转移2 mol 电子,因此还要转移2 mol电子生成1 mol铜,电解得到的Cu的物质的量为1 mol,故A错误;根据电解原理和原子守恒,溶液中减少的原子有铜、氧、氢,向电解后的溶液中加入1 mol Cu(OH)2,可恢复为原溶液,质量为98 g,故B正确;c(Cu2+)==2 mol·L-1,由电荷守恒可知,原混合溶液中c(K+)为6 mol·L-1-2 mol·L-1×2=2 mol·L-1,故C错误;开始电解时发生2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+,n(H+)=2n(Cu)=2×1 mol=2 mol,当Cu2+消耗完后,电解HNO3、KNO3溶液,实质上是电解水,n(H+)=2 mol不变,电解后溶液中c(H+)为=4 mol·L-1,故D错误。
12.用铅蓄电池电解AgNO3、Na2SO4的溶液,a、b、c、d电极材料均为石墨。已知铅蓄电池的总反应为Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)2PbSO4(s)+2H2O(l),通电时a电极质量增加,下列说法正确的是( )
A.电路中通过1 mol电子时,Y电极质量增加48 g
B.放电时铅蓄电池负极的电极反应式为PbO2(s)+4H+(aq)+SO(aq)+2e-
===PbSO4(s)+2H2O(l)
C.c、d电极产生气体的物质的量之比为1∶2
D.X极为负极
【解析】选A a极质量增加,即析出了 Ag,a为阴极,则Y为负极,X为正极,D项错;B项,所写电极反应式为正极的电极反应式;C项,c为阴极放出H2,d为阳极放出O2,物质的量之比为2∶1。
13.如图所示,各烧杯中盛海水,铁在其中被腐蚀的速度由快到慢的顺序为( )
A.②①③④⑤⑥ B.⑤④③①②⑥
C.⑤④②①③⑥ D.⑤③②④①⑥
【解析】 ①是Fe为负极,杂质碳为正极的原电池腐蚀,是铁的吸氧腐蚀,腐蚀较慢,其电极反应式:负极Fe-2e-===Fe2+,正极2H2O+O2+4e-===4OH-。②、③、④均为原电池,③中Fe为正极,被保护;②、④中Fe为负极,均加快了Fe的腐蚀,但Fe和Cu的金属活动性差别大于Fe和Sn的,故FeCu原电池中Fe腐蚀的较快。⑤是Fe接电源正极作阳极,Cu接电源负极作阴极,加快了Fe的腐蚀。⑥是Fe接电源负极作阴极,Cu接电源正极作阳极,防止了Fe的腐蚀。根据以上分析可知铁在其中被腐蚀由快到慢的顺序为⑤>④>②>①>③>⑥。
14.一定条件下,碳钢腐蚀与溶液pH的关系如下表:
pH
2
4
6
6.5
8
13.5
14
腐蚀快慢
较快
慢
较快
主要产物
Fe2+
Fe3O4
Fe2O3
FeO
下列说法错误的是( )
A.当pH<4时,碳钢主要发生析氢腐蚀
B.当pH>6时,碳钢主要发生吸氧腐蚀
C.当pH>14时,正极反应为O2 + 4H+ + 4e-===2H2O
D.在煮沸除氧气后的碱性溶液中,碳钢腐蚀速率会减缓
【解析】 当溶液呈较强的碱性时,碳钢主要发生的是吸氧腐蚀,其正极反应为O2+2H2O+4e-===4OH-,C项错误。
15.按如图1所示装置进行电解,A、B、C、D均为铂电极,回答下列问题。
(1)甲槽电解的是200 mL一定浓度的NaCl与CuSO4的混合溶液,理论上两极所得气体的体积随时间变化的关系如图2所示(气体体积已换算成标准状况下的体积,电解前后溶液的体积变化忽略不计)。
①原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为______mol·L-1,CuSO4的物质的量浓度为________mol·L-1。
②t2时所得溶液的pH=________。
(2)乙槽为200 mL CuSO4溶液,乙槽内电解的总离子方程式:_____________________:
①当C极析出0.64 g物质时,乙槽溶液中生成的H2SO4为________mol。电解后,若使乙槽内的溶液完全复原,可向乙槽中加入________(填字母)。
A.Cu(OH)2 B.CuO
C.CuCO3 D.Cu2(OH)2CO3
②若通电一段时间后,向所得的乙槽溶液中加入0.2 mol的Cu(OH)2才能恰好恢复到电解前的浓度,则电解过程中转移的电子数为________。
【解析】 (1)①A、B、C、D均为惰性电极Pt,甲槽电解NaCl和CuSO4的混合液,阳极上离子放电顺序为Cl->OH->SO,阴极上离子放电顺序为Cu2+>H+>Na+,开始阶段阴极上析出Cu,阳极上产生Cl2,则题图2中曲线Ⅰ代表阴极产生气体体积的变化,曲线Ⅱ代表阳极产生气体体积的变化。阳极上发生的反应依次为2Cl--2e-===Cl2↑、4OH--4e-===2H2O+O2↑,由曲线Ⅱ可知,Cl-放电完全时生成224 mL Cl2,根据Cl原子守恒可知,溶液中c(NaCl)=
eq \f(0.01 mol×2,0.2 L)=0.1 mol·L-1;阴极上发生的反应依次为Cu2++2e-===Cu、2H++2e-===H2↑,由曲线Ⅱ可知Cu2+放电完全时,阳极上产生224 mL Cl2和112 mL O2,则电路中转移电子的物质的量为0.01 mol×2+0.005 mol×4=0.04 mol,据得失电子守恒可知n(Cu2+)=0.04 mol×=0.02 mol,故混合液中c(CuSO4)==0.1 mol·L-1。②0~t1时间内相当于电解CuCl2,电解反应式为CuCl2Cu+Cl2↑,t1~t2时间内相当于电解CuSO4,而电解CuSO4溶液的离子反应为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+,则生成H+的物质的量为0.005 mol×4=0.02 mol,则有c(H+)==0.1 mol·L-1,故溶液的pH=1。(2)电解CuSO4溶液时,Cu2+在阴极放电,水电离的OH-在阳极放电,电解的总离子方程式为2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+。①C极为阴极,电极反应式为Cu2++2e-===Cu,析出0.64 g Cu(即0.01 mol)时,生成H2SO4的物质的量也为0.01 mol。电解CuSO4溶液时,阴极析出Cu,阳极上产生O2,故可向电解质溶液中加入CuO、CuCO3等使电解质溶液完全复原。②加入0.2 mol Cu(OH)2相当于加入0.2 mol CuO和0.2 mol H2O,则电解过程中转移电子的物质的量为0.2 mol×2+0.2 mol×2=0.8 mol,即0.8NA个电子。
答案:(1)①0.1 0.1 ②1
(2)2Cu2++2H2O2Cu+O2↑+4H+
①0.01 BC ②0.8NA
16.如图所示,E为蘸有Na2SO4溶液的滤纸,并滴上几滴酚酞。A、B分别为Pt片,压在滤纸两端,R、S为电源的电极。M、N是多微孔的Ni电极,在碱溶液中可以视为惰性电极。G为电流计,K为开关。C、D和电解池中都充满浓KOH溶液。若在滤纸中央点上一滴紫色的KMnO4溶液,K断开,接通电源一段时间后,C、D中有气体产生。
(1)外电源的R极为________极。
(2)A极附近的现象是______________,B极的电极反应式为____________________。
(3)滤纸上的紫色点向________(填“A”或“B”)极移动。
(4)当C、D里的气体产生到一定量时,切断外电源并接通开关K,经过一段时间,C、D中气体逐渐减少,主要因为________________________________________;C极的电极反应式为________________________________________________________________________。
【解析】(1)电解KOH溶液,阴极的电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,阳极的电极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,通过相同的电量,阴极上产生气体的体积是阳极上产生气体体积的2倍,通过题图可知M为阴极,N为阳极,根据电解原理,R为负极,S为正极。(2)A接电源的负极,B接电源的正极,A为阴极,电极反应式为2H2O+2e-===H2↑+2OH-,因此A极附近的现象是变红,B极的电极反应式为4OH--4e-===O2↑+2H2O。(3)根据电解原理,阴离子向阳极移动,阳离子向阴极移动,因此MnO移向B极,即滤纸上的紫色点向B极移动。(4)切断电源后,H2、O2与KOH溶液构成氢氧燃料电池,C为负极,电极反应式为H2+2OH--2e-===2H2O。
答案:(1)负 (2)变红 4OH--4e-===O2↑+2H2O
(3) B (4)H2、O2与KOH溶液构成氢氧燃料电池 H2+2OH--2e-===2H2O
17.某小组同学利用下图装置对电解氯化铜实验进行了研究。
装置
现象
电解一段时间后,阳极石墨表面产生气体,阴极石墨上附着红色物质,烧杯壁变热,溶液由蓝色变为绿色
(1)甲认为电解过程中阳极产生的 是溶液变绿的原因,写出产生该物质的电极反应式: 。
(2)乙查阅资料,CuCl2溶液中存在平衡:Cu2+ + 4Cl-[CuCl4]2-(黄色) ΔH>0。据此乙认为:电解过程中,[CuCl4]2-(黄色)浓度增大,与CuCl2蓝色溶液混合呈绿色。乙依据平衡移动原理推测在电解过程中[CuCl4]2-浓度增大的原因是 。
(3)丙改用下图装置,在相同条件下电解CuCl2溶液,对溶液变色现象继续探究。
装置
现象
电解相同时间后,阳极石墨表面产生气泡,溶液仍为蓝色;阴极石墨上附着红色物质,溶液由蓝色变为绿色;U形管变热,冷却后阴极附近溶液仍为绿色
丙通过对现象分析证实了甲和乙的观点均不是溶液变绿的主要原因。丙否定甲的依据是 ,否定乙的依据是 。
(4)丙继续查阅资料:
i.电解CuCl2溶液时可能产生[CuCl2]-,[CuCl2]-掺杂Cu2+后呈黄色;
ii.稀释含[CuCl2]-的溶液生成CuCl白色沉淀。
据此丙认为:电解过程中,产生[CuCl2]-掺杂Cu2+后呈黄色,与CuCl2蓝色溶液混合呈绿色。
丙进行如下实验:
a.取电解后绿色溶液2 mL,加20 mL水稀释,静置5 min后溶液中产生白色沉淀;
b.另取少量氯化铜晶体和铜粉,向其中加2 mL浓盐酸,加热获得含[CuCl2]-的黄色溶液;
c.冷却后向上述溶液……;
d.取c中2 mL溶液,加20 mL水稀释,静置5 min后溶液中产生白色沉淀。
①a的目的是 。
②写出b中生成[CuCl2]-的离子方程式: 。
③补充c中必要的操作及现象: 。
丙据此得出结论:电解时阴极附近生成的[CuCl2]-是导致溶液变绿的原因。
【解析】10.(1)Cl2 2Cl--2e- Cl2↑
(2)电解过程放热导致温度升高,Cu2++4Cl-[CuCl4]2-正向移动
(3)阳极附近溶液仍为蓝色 U形管冷却后阴极附近溶液仍为绿色
(4)①证明在上述实验条件下,电解后的绿色溶液中存在[CuCl2]-
②Cu2++4Cl-+Cu2[CuCl2]-
③加入CuCl2蓝色溶液,直至溶液颜色与电解后绿色溶液基本相同
(1)电解过程中阳极发生氧化反应,溶液中的氯离子放电生成氯气,氯气溶于水,溶液可能呈现绿色。(2)电解过程放热导致温度升高,Cu2++4Cl-[CuCl4]2-正向移动,[CuCl4]2-浓度增大。(3)阳极生成了氯气,但阳极附近溶液仍为蓝色,说明溶液变绿不是生成氯气的缘故;Cu2++4Cl-[CuCl4]2-(黄色) ΔH>0,温度降低,平衡逆向移动,溶液应该呈现蓝色,但U形管冷却后阴极附近溶液仍为绿色,因此乙的推断也不正确。(4)①根据信息,取电解后绿色溶液2 mL,加20 mL水稀释,静置5 min后溶液中产生白色沉淀,说明电解后的绿色溶液中存在[CuCl2]-;②氯化铜晶体和铜粉中加入2 mL浓盐酸,加热获得含[CuCl2]-的黄色溶液,反应的离子方程式为Cu2++4Cl-+Cu2[CuCl2]-;③c的步骤就是证明电解时阴极附近生成[CuCl2]-是导致溶液变绿的原因,因此操作及现象为加入CuCl2蓝色溶液,直至溶液颜色与电解后绿色溶液基本相同。