高中化学必修1电化学基础（4）教学设计

高中化学必修 1 电化学基础（4）教学设计 授课人：董 xx ①理解原电池原理。初步了解化学电源。 教学目标： ②理解电解原理。了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。 ③原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写。 教学重点： 原电池原理、理解电解原理、电极方程式书写 教学难点： 原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写 教学方法： 分析比较法 教学过程： 第四课时 基础知识精析 三、金属的腐蚀与防护 1、金属腐蚀的分类 ①化学腐蚀：直接由化学反应引起的腐蚀 ②电化腐蚀：由于原电池反应引起的腐蚀，包括析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种。 a. 析氢腐蚀：酸性条件 负极：Fe-2e-=Fe2+ 正极：2H++2e-=H2 总反应：Fe+2H+=Fe2+ H2 b. 吸氧腐蚀：中性或碱性条件 负极：Fe-2e-=Fe2+ 正极：O2+2H2O+4e-=4OH- 总反应：Fe+O2+2H2O=Fe(OH)2 电解引起的腐蚀>原电池引起的腐蚀>化学腐蚀>有防护腐蚀措施的腐蚀。 2、金属的防护 金属的防护的基本思路是防止金属形成原电池，发生原电池反应。 （1）阻断原电池法 由于钢铁腐蚀主要是形成原电池而被腐蚀的，所以也可以让它不形成原电池， 从而得到保护。①覆盖保护膜法： 在钢铁表面覆盖一层保护膜（涂油漆，电镀，钝化等），从而阻断它和外界 环境的接触，这样就会因为没有电解质溶液，而不能形成原电池。 ②改变金属的内部结构法： 在钢铁中加入一定量的镍和铬，由于镍和铬在空气中容易氧化生成致密的保 护膜，从而阻止内部金属与外界接触。从而把普通钢变成不锈钢。这个原理和镁 铝自身防腐的原理相似。 （2）牺牲阳极的阴极保护法： 利用原电池原理，在被保护的钢铁金属设备上，装上若干锌块。由于锌比铁 活泼，当它们在潮湿或有水的环境中形成原电池时，腐蚀（牺牲）的是镁或锌 （阳极），而阴极的铁得到保护，所以，这种防腐方法称为牺牲阳极的阴极保护 法。这种防腐方法要定期更换锌块，可以保证钢铁金属设备不被腐蚀。 （3）外加电源的阴极保护法： 利用电解原理，在被保护的钢铁金属设备上连接直流电源，把被保护的钢铁 金属设备作为阴极，用惰性电极作为辅助阳极。装上若干镁合金或锌块。当钢铁 设备接触电解质溶液（海水）时，接通电源，电子强制流向被保护的钢铁设备 （阴极），使其无法失去电子，而得到保护，所以这种防腐方法称为外加电源的 阴极保护法。 深度思考 1．下列有关金属腐蚀的叙述正确的是 (　　) A．金属越纯越不易被腐蚀 B．干燥环境下金属不被腐蚀 C．铜一定比铁难腐蚀 D．金属腐蚀有化学腐蚀和电化学腐蚀 答案　D解析　A 项，金属能不能被腐蚀主要取决于它的活泼性，而不是它的纯度， 如纯钾易被腐蚀，不正确；B 项，干燥环境下，如果遇到氯气，金属也可以发生 化学腐蚀，故不正确；C 项，如果遇到浓硝酸，铜比铁易腐蚀，不正确。 2．下列对几种常见的金属防腐方法的描述错误的是 (　　) 选项 方法 对相应方法的描述 A 改变金属内部的组成结构 此法实际上是将金属制成合金，增强抗腐蚀能力 B 在金属表面覆盖保护层 保护层破损后，就完全失去了对金属的保护作用 C 外加电流的阴极保护法 接外加直流电源构成电解池，被保护的金属作阴 极 D 牺牲阳极的阴极保护法 构成原电池，被保护的金属作正极 答案　B 解析　如果镀层金属比被保护的金属活泼，破损后可构成原电池，仍然能在 一定程度上保护金属，B 错误。 考纲要求 （1）理解原电池原理。初步了解化学电源。了解化学腐蚀与电化学腐蚀及 一般防腐蚀方法。 　　（2）理解电解原理。了解铜的电解精炼、镀铜、氯碱工业反应原理。 （3）原电池和电解池电极判断以及电极方程式书写。 （4）原电池和电解池的简单计算。 【探究高考】 1．(2012·山东理综，13)下列与金属腐蚀有关的说法正确的是 (　　) 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，CuZn 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，ZnMnO2 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，CuZn 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，ZnMnO2 干电池自放电腐蚀主要是 Zn 发生氧化反应而自 放电。 2．(2012·海南，10)下列叙述错误的是 (　　) A．生铁中含有碳，抗腐蚀能力比纯铁弱 B．用锡焊接的铁质器件，焊接处易生锈 C．在铁制品上镀铜时，镀件为阳极，铜盐为电镀液 D．铁管上镶嵌锌块，铁管不易被腐蚀 答案　C 解析　选项 A，生铁中的碳和铁可以在铁的表面构成无数微小的原电池，能 加速铁的锈蚀；选项 B，焊接处铁、锡形成无数微小原电池，加速铁的腐蚀；选 项 C，电镀时，镀层金属铜作阳极，铁制品作阴极，用铜盐溶液作电镀液；选项 D，由于 Zn 比 Fe 活泼，故镶嵌锌块的铁管不易被腐蚀。 3．(2012·上海，14)右图装置中发生反应的离子方程式为 Zn＋2H＋―→Zn2＋＋ H2↑，下列说法错误的是 (　　) A．a、b 不可能是同种材料的电极 B．该装置可能是电解池，电解质溶液为稀盐酸 C．该装置可能是原电池，电解质溶液为稀盐酸 D．该装置可看作是铜－锌原电池，电解质溶液是稀硫酸 答案　A 解析　若该装置为电解池，则 a、b 两电极的材料可以都为 Zn，选项 A 错误； 在保证阳极为 Zn 时，该电解池的电解质溶液可以为稀盐酸，选项 B 正确；在保证其中一电极的材料为 Zn，另一电极的材料的活动性比 Zn 弱的情况下，该原电 池的电解质溶液为稀盐酸或稀硫酸都可以，选项 C、D 正确。 4．(2012·浙江理综，10)以铬酸钾为原料，电化学法制备重铬酸钾的实验装置 示意图如下： 下列说法不正确的是 (　　) A．在阴极室，发生的电极反应为 2H2O＋2e－===2OH－＋H2↑ B．在阳极室，通电后溶液逐渐由黄色变为橙色，是因为阳极区 H＋浓度增大， 使平衡 2CrO＋2H＋=Cr2O＋H2O 向右移动 C．该制备过程中总反应的化学方程式为 4K2CrO4＋4H2O2K2Cr2O7＋4KOH＋ 2H2↑＋O2↑ D．测定阳极液中 K 和 Cr 的含量，若 K 与 Cr 的物质的量之比(nK/nCr)为 d，则 此时铬酸钾的转化率为 1－ 答案　D 解析　本题应结合电解的原理来具体分析、解决问题。 根据阴、阳离子的放电顺序可知，该电解池中的反应如下： 阴极：4H2O＋4e－===2H2↑＋4OH－、阳极：2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，阳极 区 K2CrO4 溶液中存在平衡：2CrO＋2H＋=Cr2O＋H2O，H＋浓度增大，使该平衡右 移生成 Cr2O。故电解池中的总反应式可写成 4K2CrO4＋4H2O2K2Cr2O7＋4KOH＋ 2H2↑＋O2↑。故 A、B、C 项均正确。 D 项，设 K2CrO4 转化为 K2Cr2O7 的转化率为 α，则： 　　　　　 2K2CrO4～K2Cr2O7 初始量 2 0 转化量 2α α 最终量 2－2α α则有＝＝d 解得 α＝2－d，D 项错误。 5．(2012·安徽理综，11)某兴趣小组设计如下微型实验装置。实验时，先断开 K2，闭合 K1，两极均有气泡产生；一段时间后，断开 K1，闭合 K2，发现电流表 A 指针偏转。 下列有关描述正确的是 (　　) A．断开 K2，闭合 K1 时，总反应的离子方程式为 2H＋＋2Cl－Cl2↑＋H2↑ B．断开 K2，闭合 K1 时，石墨电极附近溶液变红 C．断开 K1，闭合 K2 时，铜电极上的电极反应式为 Cl2＋2e－===2Cl－ D．断开 K1，闭合 K2 时，石墨电极作正极 答案　D 解析　解答本题时应特别注意，金属 Cu 在电解池和原电池中作何种电极。 当断开 K2，闭合 K1 时为电解池，由于两极都有气泡冒出，故相当于惰性电极电 解饱和食盐水，故铜作阴极而石墨作阳极，阳极反应为 2Cl－－2e－===Cl2↑，电 池总反应的离子方程式为 2Cl－＋2H2OH2↑＋Cl2↑＋2OH－，A、B 都错；当断开 K1，闭合 K2 时组成原电池，铜作负极而石墨作正极，铜电极的电极反应式为 Cu －2e－===Cu2＋，故 C 错而 D 正确。 6．[2012·重庆理综，29(3)]人工肾脏可采用间接电化学方法除去代谢产物中 的尿素，原理如下图。①电源的负极为________(填“A”或“B”)。 ②阳极室中发生的反应依次为____________、__________。 ③电解结束后，阴极室溶液的 pH 与电解前相比将________；若两极共收集 到气体 13.44 L(标准状况)，则除去的尿素为________g(忽略气体的溶解)。 答案　①B　②2Cl －－2e －===Cl2 ↑　CO(NH 2)2 ＋3Cl 2 ＋H 2O===N2 ＋CO 2 ＋ 6HCl ③不变　7.2 解析　①由图中产生 Cl2 极为阳极知 A 为正极，B 为负极。 ②阳极室发生反应 2Cl－－2e－===Cl2↑。 由产物 CO2、N2 知 CO(NH2)2 在此室反应被氧化，CO(NH2)2―→CO2＋N2，发生 还原反应的为 Cl2。故方程式为 CO(NH2)2＋3Cl2＋H2O===N2＋CO2＋6HCl。 ③阴极室 2H＋＋2e－===H2↑。阳极室产生的 H＋通过质子交换膜进入阴极室， 从而使阴极室 H＋浓度保持不变。pH 与电解前相比不变。 两极共收集到的气体 n(气体)＝＝0.6 mol m[CO(NH2)2]＝＝7.2 g 7．[2012·新课标全国卷，36(3)]粗铜的电解精炼如右图所示。在粗铜的电解 过程中，粗铜板应是图中电极________(填图中的字母)；在电极 d 上发生的电极 反应式为__________；若粗铜中还含有 Au、Ag、Fe，它们在电解槽中的存在形 式和位置为_________。 答案　c　Cu2＋＋2e－===Cu　Au、Ag 以单质的形式沉积在 c(阳极)下方，Fe 以 Fe2＋的形式进入电解液 解析　电解精炼时，粗铜作阳极，纯铜作阴极，CuSO4 溶液作电解液，比铜 活泼的金属失电子生成离子进入溶液，不如铜活泼的金属形成阳极泥沉积下来。 8．[2011·四川理综，26(5)]按右图电解 NaCl 的饱和溶液，写出该电解池中发 生反应的总反应方程式：________。将充分电解后所得溶液逐滴加入到酚酞试液 中，观察到的现象是________。 答案　NaCl＋H2O NaClO＋H2↑　酚酞试液先变红后褪色解析　由于阳极是惰性电极，则电解饱和氯化钠溶液的方程式为 2NaCl＋ 2H2O2NaOH ＋ H2 ↑ ＋ Cl2 ↑ ， 生 成 的 Cl2 与 NaOH 溶 液 发 生 反 应 ： Cl2 ＋ 2NaOH===NaCl＋NaClO＋H2O，故总反应方程式为 NaCl＋H2ONaClO＋H2↑，酚 酞试液遇 NaOH 显红色后被 HClO 氧化褪色。 9．(2012·海南，16)新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分 别通入 CH4 和 O2 ，电解质为 KOH 溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后 作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示。 回答下列问题： (1)甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为_______________。 (2)闭合 K 开关后，a、b 电极上均有气体产生，其中 b 电极上得到的是 __________，电解氯化钠溶液的总反应方程式为___________； (3)若每个电池甲烷通入量为 1 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解 池的电量为_______(法拉第常数 F＝9.65×104 C · mol－1 列式计算)，最多能产生 的氯气体积为________L(标准状况)。 答案　(1)O2＋2H2O＋4e－===4OH－ CH4＋10OH－－8e－=CO＋7H2O (2)H2　2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ (3)×8×9.65×104 C·mol－1＝3.45×104 C　4 解析　(1)甲烷燃料电池中正极为 O2 被还原，负极为 CH4 被氧化，在碱性条件 下生成 CO，其电极反应分别为 O2＋2H2O＋4e－=4OH－、CH4＋10OH－－8e－=CO ＋7H2O。 (2)闭合 K 后构成闭合回路，此时 a、b 分别为电解池的阳极和阴极，阴极为 H ＋得电子被还原，同时得到 H2 和 NaOH，阳极为 Cl－被氧化得到 Cl2，该电解池中 的总反应为 2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑。(3)每个电池通入 1 L CH 4 ，电路中通过的电量为×8×9.65×10 4 C·mol －1 ＝ 3.45×104 C。 〖教后记〗 题组一　对金属腐蚀快慢的考查 1．如图所示，各烧杯中盛有海水，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 答案　C 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 ③④均为原电池，③中 Fe 为正极，被保护；②④中 Fe 为负极，均被腐蚀，但 Fe 和 Cu 的金属活泼性差别大于 Fe 和 Sn 的，故 FeCu 原电池中 Fe 被腐蚀的较快。 ⑤是 Fe 接电源正极作阳极，Cu 接电源负极作阴极的电解腐蚀，加快了 Fe 的腐 蚀。⑥是 Fe 接电源负极作阴极，Cu 接电源正极作阳极的电解腐蚀，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。 2．相同材质的铁在下图中各情形下最不易被腐蚀的是 (　　) 答案　C解析　A 中，食醋作电解质溶液，铁勺和铜盆是相互接触的两个金属极，形 成原电池，铁是活泼金属作负极；B 中，食盐水作电解质溶液，铁炒锅和铁铲都 是铁碳合金，符合原电池形成的条件，铁是活泼金属作负极，碳作正极；C 中， 铜镀层将铁球覆盖，使铁被保护，所以铁不易被腐蚀；D 中，酸雨作电解质溶液， 铁铆钉和铜板分别作负极、正极，形成原电池。 题组二　对析氢腐蚀和吸氧腐蚀的考查 3．按如图所示装置，进行铁钉被腐蚀的实验，一周后观察(设水不蒸发)。 (1) 若 试 管 中 液 面 上 升 ， 发 生 的 是 __________ 腐 蚀 ， 则 正 极 反 应 式 为 ________________，负极反应式为__________________。要顺利完成此实验，所 用的电解质溶液可以是________。 (2) 若 试 管 中 液 面 下 降 ， 发 生 的 是 __________ 腐 蚀 ， 正 极 反 应 式 为 _______________，负极反应式为__________________。 要顺利完成此实验，所用的电解质溶液可以是___________。 答案　(1)吸氧　2H 2O＋O2＋4e－===4OH－　Fe－2e －===Fe2＋　氯化钠溶液 (2)析氢　2H＋＋2e－===H2↑　Fe－2e－===Fe2＋　稀硫酸 解析　(1)试管中的液面上升，表明内部压强减小，即发生吸氧腐蚀，故正极 反应式为 2H2O＋O2＋4e－===4OH－，负极反应式为 Fe－2e－===Fe2＋；吸氧腐蚀 的电解质溶液是中性或碱性溶液，如氯化钠溶液。(2)试管中的液面下降，表明 发生了析氢腐蚀，则正极反应式为 2H＋＋2e－===H2↑，负极反应式为 Fe－2e－ ===Fe2＋；此时需要酸性电解质溶液，如稀硫酸等。 4．如图装置中，小试管内为红墨水，具支试管内盛有 pH＝4 久置的雨水和 生铁片。实验时观察到：开始时导管内液面下降，一段时间后导管内液面回升， 略高于小试管内液面。下列说法正确的是(　　) A．生铁片中的碳是原电池的阳极，发生还原反应 B．雨水酸性较强，生铁片仅发生析氢腐蚀 C．墨水回升时，碳电极反应式为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．具支试管中溶液 pH 逐渐减小 答案　C 解析　生铁片中的碳是原电池的正极，A 错；雨水酸性较强，开始时铁片发 生化学腐蚀和析氢腐蚀，产生氢气，导管内液面下降，一段时间后铁片发生吸氧 腐蚀，吸收氧气，导管内液面回升，B 错；墨水回升时，铁片发生吸氧腐蚀，碳 极为正极，电极反应为 O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C 对；铁片无论是发生析氢腐 蚀还是吸氧腐蚀，具支试管内溶液 pH 均增大，D 错。