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1、1 第 6 课时化学能与电能 (4) 电化学原理的综合应用(过综合 ) 考点一金属的腐蚀与防护 1金属的腐蚀 (1) 金属腐蚀的本质 金属原子失去电子变成金属阳离子，金属发生氧化反应。 (2) 金属腐蚀的类型 化学腐蚀与电化学腐蚀 类型化学腐蚀电化学腐蚀 条件 金属与接触到的 物质直接反应 不纯金属接触到电解质溶液 发生原电池反应 本质M ne =M n M ne =M n 现象金属被腐蚀较活泼金属被腐蚀 区别无电流产生有微弱电流产生 联系电化学腐蚀比化学腐蚀普遍得多，腐蚀速率更快，危害也更严重 析氢腐蚀与吸氧腐蚀( 以钢铁的腐蚀为例) 类型析氢腐蚀吸氧腐蚀 条件水膜酸性较强(pH4.3) 水
2、膜酸性很弱或呈中性 电极 反应 负极Fe 2e =Fe2 正极2H 2e=H 2O22H2O 4e =4OH 总反应式Fe2H =Fe2 H 22FeO22H2O=2Fe(OH)2 联系吸氧腐蚀更普遍 铁锈的形成：4Fe(OH)2O22H2O=4Fe(OH)3， 2Fe(OH)3=Fe2O3xH2O(铁锈 ) (3 x)H2O 。 2金属的防护 (1) 改变金属的内部结构 可根据不同的用途选用不同的金属或非金属制成合金。 (2) 覆盖保护层 可以通过喷油漆、涂油脂、电镀或表面钝化等方法使金属与介质隔离。 (3) 电化学防护 牺牲阳极的阴极保护法原电 池原理 负极比被保护金属活泼的金属 正极被保
3、护的金属设备 外加电流的阴极保护法阴极被保护的金属设备 2 电解原理阳极惰性金属 考法精析 考法一金属腐蚀的规律 典例1 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 ( ) AB CD 解析 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Fe2e =Fe2，正极 2H 2OO24e =4OH。、均为原电池， 中 Fe 为正极，被保护；、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 Fe-Cu 原电池中Fe腐蚀的较快。是Fe 接电源正极作阳极， Cu接电源负极作阴极，加快了Fe的
4、腐蚀。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 。 答案 C 备考方略 判断金属腐蚀快慢的规律 (1) 对同一电解质溶液来说，腐蚀由快到慢： 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，腐蚀由快到慢：强电解质溶液中弱电解质溶液中非电解质溶液 中( 浓度相同 ) 。 (3) 活泼性不同的两种金属，活泼性差异越大，二者形成原电池时，较活泼的金属腐蚀 越快。 (4) 对同一种电解质溶液来说，电解质浓度越大，金属腐蚀越快。 考法二金属腐蚀的类型 典例 2 一定条件下，碳钢腐
5、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Fe 2 Fe3O4Fe2O3FeO 2 3 下列说法错误的是( ) A当 pH4 时，碳钢主要发生析氢腐蚀 B当 pH6 时，碳钢主要发生吸氧腐蚀 C当 pH14 时，正极反应为O2 4H 4e =2H 2O 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。 答案 C 考法三金属的防护措施 典例3 (2018北京高考) 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
6、%NaCl溶液 ) 。 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，可以判定Zn 保护了 Fe B对比，K3Fe(CN)6 可能将 Fe氧化 C验证 Zn 保护 Fe 时不能用的方法 D将 Zn 换成 Cu ，用的方法可判断Fe 比 Cu活泼 解析 实验中加入K3Fe(CN)6 ，溶液无变化，说明溶液中没有Fe 2；实验中加 入 K3Fe(CN)6 生成蓝色沉淀， 说明溶液中有Fe 2， A项正确；对比可知， 中 K 3Fe(CN)6 可能将 Fe 氧化成 Fe 2， Fe2 再与 K3Fe(CN)6 反应生成蓝色沉淀，B 项正确；由以上分析可
7、 知，验证 Zn 保护 Fe 时，可以用做对比实验，不能用的方法，C项正确； K3Fe(CN)6 可将单质铁氧化为Fe 2，Fe2与 K 3Fe(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。 答案 D 综合训练 1(2017全国卷)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 4 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
8、 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。 2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 Fe 2遇 K 3Fe(CN)6 溶 液呈蓝色 )。 下列说法不合理的是( ) A区 Cu电极上产生气泡，Fe 电极附近滴加K3Fe(CN)6 溶液后
9、出现蓝色，Fe被腐蚀 B区 Cu电极附近滴加酚酞后变成红色，Fe 电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液出现蓝色， Fe 被腐蚀 C区 Zn 电极的电极反应式为Zn2e =Zn2 ，Fe 电极附近滴加K3Fe(CN)6溶液未 出现蓝色， Fe 被保护 D 区 Zn 电极的电极反应式为2H2O2e =H 2 2OH ， Fe 电极附近滴加K3Fe(CN)6 溶液出现蓝色，Fe 被腐蚀 解析：选 A 区发生吸氧腐蚀，Cu为正极，电极反应式为O2 2H2O4e =4OH ，Cu 电极上不产生气泡，A项错误；区Cu为阴极，电极反应式为2H2O2e =H 2 2OH ，Cu 电极附近溶液碱性增强，滴加酚酞后
10、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 K3Fe(CN)6 溶液出现蓝色，B项正确；区Zn 为负极，电极反 应式为 Zn2e =Zn2 ，Fe为正极， 被保护， C项正确， 区 Zn 为阴极， 电极反应式为2H2O 2e =H 2 2OH ，Fe 作阳极，被腐蚀，电极反应式为 Fe2e =Fe2，Fe 电极附近滴 加 K3Fe(CN)6 溶液出现蓝色，D项正确。 考点二串联电池 1有外接电源电池类型的判断方法 有外接电源的各电池均为电解池，若电池阳极材料与电解质溶液中的阳离子相同，则该 电池为电镀池。如： 5 则甲为电镀池，乙、丙均为电解池。 2
11、无外接电源电池类型的判断方法 (1) 直接判断 非常直观明显的装置，如燃料电池、铅蓄电池等在电路中，则其他装置为电解池。如图 所示： A为原电池， B为电解池。 (2) 根据电池中的电极材料和电解质溶液判断 原电池一般是两种活泼性不同的金属电极或一种金属电极和一个碳棒作电极；而电解池 则一般都是两个惰性电极，如两个铂电极或两个碳棒。原电池中的电极材料和电解质溶液之 间能发生自发的氧化还原反应，电解池的电极材料一般不能和电解质溶液自发反应。如图所 示： B为原电池， A为电解池。 (3) 根据电极反应现象判断 在某些装置中根据电极反应或反应现象可判断电极，并由此判断电池类型。如图所示： 若 C极
12、溶解， D极上析出Cu，B极附近溶液变红，A极上放出黄绿色气体，则可知乙是原电 池， D 是正极， C 是负极；甲是电解池，A 是阳极， B 是阴极。 B、D 极发生还原反应，A、C 极发生氧化反应。 典例 某同学组装了如图所示的电化学装置，电极为Al ，其他均为Cu，下列说法 正确的是 ( ) 6 A电流方向：电极 A电极 B电极发生还原反应 C电极逐渐溶解 D电极的电极反应：Cu 2 2e =Cu 解析 带盐桥的、装置构成原电池，为负极，为正极，装置为电解池。A 项，电子移动方向：电极A电极，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
13、发生还原反应，Cu 2在电极 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，因为电极为正极，因此电极为电解池的阳极，其 电极反应式为Cu2e =Cu 2，错误。 答案 A 备考方略 串联类电池的解题流程 综合训练 1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) 放电 充电 2PbSO4(s) 2H2O(l) ，通电时a 电极质 量增加，下列说法正确的是( ) 7 A电路中通过1 mol 电子时， Y电极质量增加4
14、8 g B 放电时铅蓄电池负极的电极反应式为PbO2(s) 4H (aq) SO2 4(aq) 2e =PbSO 4(s) 2H2O(l) Cc、d 电极产生气体的物质的量之比为12 DX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21。 2如图 X是直流电源。Y槽中 c 、d 为石墨棒， Z 槽中 e、f 是质量相同的铜棒。接通 电路后，发现d 附近显红色。 (1) 电源上b 为_极( 填“正”“负”“阴”或“阳” ，下同 ) 。
15、 Z 槽中 e 为_极。 连接 Y、Z 槽线路中，电子流动的方向是d_e( 填“”或“”) 。 (2) 写出 c 极上反应的电极反应式：_ 。 写出 Y槽中总反应的化学方程式：_ _。 写出 Z 槽中 e 极上反应的电极反应式： _ 。 解析： d 极附近显红色，说明d 为阴极，电极反应式为 2H2O 2e =H 2 2OH ，c 为 阳极，电极反应式为 2Cl 2e=Cl 2， Y 槽电解NaCl 溶液的总反应方程式为 2NaCl 2H2O= 电解 2NaOH Cl2 H2；直流电源中a 为正极， b 为负极， Z 槽中 f 为阴极， e 为阳极， 电极反应式为Cu2e =Cu 2，电子流动
16、方向由 ed。 答案： (1) 负阳 (2)2Cl 2e =Cl2 2NaCl2H2O= 电解 2NaOH H2 Cl2 Cu2e =Cu2 考点三电化学定量计算 电化学的反应是氧化还原反应，各电极上转移电子的物质的量相等，无论是单一电池还 是串联电解池，均可抓住电子守恒计算。 1解题关键 (1) 电极名称要区分清楚。 (2) 电极产物要判断准确。 8 (3) 各产物间量的关系遵循电子得失守恒。 2计算方法 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) 该关系式具有总览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
17、的电化学计算问题。 典例 以石墨电极电解200 mL CuSO 4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 L1 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 =O 2 4H ，阴极反应式为 Cu 2 2e =Cu ，若阴极上没有氢离子放电，则
18、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=H 2。当转移0.4 mol电 子时，Cu 2恰好完全析出， n(Cu 2) 0.4 mol 2 0.2 mol， 根据铜原子守恒得，c(CuSO4) c(Cu 2 ) 0.2 mol 0.2 L 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 ) 0.2 mol 2 0.2 L 2 molL 1， B项正确；当 n(e ) 0.6 mol 时， 发生反应：2CuSO 4
19、2H2O= 电解 2CuO2 2H2SO4、 2H2O= 电解 2H2 O2，n(H2) 0.1 mol，n(O2) 0.1 mol 0.05 mol0.15 mol，所以V(H2) 9 V(O2) 0.1 mol 0.15 mol 23，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。 答案 B 综合训练 1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 ( ) A410 3 molL 1 B
20、 210 3 molL 1 C110 3 molL 1 D 110 7 molL 1 解析：选 A 阴极反应： Cu 2 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： 2Cu 22H 2O= 电解 2CuO2 4H 264 g 4 mol 0.064 g x x0.002 mol c(H ) 0.002 mol 0.5 L 410 3 molL 1 。 2在 500 mL KNO3和 Cu(NO3)2的混合溶液中，c(NO 3) 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
21、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 L1 D电解后溶液中c(H ) 2 mol L1 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) 22.4 L 22.4 L mol 1 1 mol ，阳极发生2H2O 4e =O 2 4H ，生成 1 mol 氧 气转移 4 mol 电子，阴极发生Cu 2 2e=Cu 、2H2e =H2，生成1 mo
22、l 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(Cu 2) 1 mol 0.5 L 2 molL 1，由电荷守恒可知，原混合溶液中 c(K ) 为 6 mol L1 2 mol L 122 mol L1，故 C错误；开始电解时发生2Cu 22H 2O= 电解 2CuO2 4H ， n(H )2n(Cu) 2 1 mol 2 10 mol，当 Cu 2消耗完后
23、，电解 HNO 3、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 2 mol 0.5 L 4 mol L 1，故 D错误。 3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) 。 原混合溶液中NaCl 的物质的量浓度为 _molL 1， CuSO 4的物质的量浓度为 _molL 1。 t2时所得溶液的pH_。 (2) 乙槽为 2
24、00 mL CuSO4溶液，乙槽内电解的总离子方程式：_： 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 ) 。 ACu(OH)2B CuO CCuCO 3 D Cu2(OH)2CO3 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) A、B、C、D 均为惰性电极Pt，甲槽电解NaCl 和 CuSO 4的混合液，阳极上 离子放电顺序为Cl OHSO2 4，阴极上离子放电顺序为Cu 2 HNa，开始阶段阴极
25、上 析出 Cu，阳极上产生Cl2，则题图 2 中曲线代表阴极产生气体体积的变化，曲线代表阳 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) 0.01 mol 2 0.2 L 0.1 mol L 1；阴极上发生的反应依次为 Cu 22e=Cu 、 2H2e=H 2 ，由曲线可知Cu 2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 20.005 mol 40.04
26、mol ，据得失电子守恒可知n(Cu 2) 0.04 mol 1 20.02 mol ，故混合液中 c(CuSO4) 0.02 mol 0.2 L 0.1 mol L 1。 0 t1时间内 相当于电解CuCl2，电解反应式为CuCl2= 电解 CuCl2，t1t2时间内相当于电解CuSO4，而 电解CuSO4溶液的离子反应为2Cu 2 2H2O= 电解 2CuO2 4H ，则生成 H 的物质的量为 11 0.005 mol 40.02 mol ，则有c(H ) 0.02 mol 0.2 L 0.1 mol L 1，故溶液的 pH 1。(2) 电解 CuSO4溶液时， Cu 2在阴极放电， 水电
27、离的 OH 在阳极放电， 电解的总离子方程式为 2Cu 2 2H 2O= 电解 2CuO2 4H 。 C 极为阴极，电极反应式为 Cu 2 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 CuSO 4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 、CuCO 3等使电解质溶液完全复原。加入0.2 mol Cu(OH)2相当于加入0.2 mol CuO 和 0.2 mol H 2O ，则电解过程中转移电子的物质的量为 0.2 mol 20.2 mol 20.8 mol ，即 0.8NA个电子。 答案： (1) 0.1 0.1 1 (2)2Cu 22H 2O= 电解 2CuO2 4H 0.01 BC 0.8NA 12