（新課改省份專版）2020高考化學一輪復習 5.6 化學能與電能（4）電化學原理的綜合應用（過綜合）學案（含解析）.doc

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第6課時　化學能與電能(4)——電化學原理的綜合應用(過綜合) 考點一　金屬的腐蝕與防護 1．金屬的腐蝕 (1)金屬腐蝕的本質 金屬原子失去電子變成金屬陽離子，金屬發(fā)生氧化反應。 (2)金屬腐蝕的類型 ①化學腐蝕與電化學腐蝕 類型 化學腐蝕 電化學腐蝕 條件 金屬與接觸到的 物質直接反應 不純金屬接觸到電解質溶液 發(fā)生原電池反應 本質 M－ne－===Mn＋ M－ne－===Mn＋ 現(xiàn)象 金屬被腐蝕 較活潑金屬被腐蝕 區(qū)別 無電流產生 有微弱電流產生 聯(lián)系 電化學腐蝕比化學腐蝕普遍得多，腐蝕速率更快，危害也更嚴重 ②析氫腐蝕與吸氧腐蝕(以鋼鐵的腐蝕為例) 類型 析氫腐蝕 吸氧腐蝕 條件 水膜酸性較強(pH≤4.3) 水膜酸性很弱或呈中性 電極反應 負極 Fe－2e－===Fe2＋ 正極 2H＋＋2e－===H2↑ O2＋2H2O＋4e－===4OH－ 總反應式 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ 2Fe＋O2＋2H2O===2Fe(OH)2 聯(lián)系 吸氧腐蝕更普遍 鐵銹的形成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3， 2Fe(OH)3===Fe2O3xH2O(鐵銹)＋(3－x)H2O。 2．金屬的防護 (1)改變金屬的內部結構 可根據不同的用途選用不同的金屬或非金屬制成合金。 (2)覆蓋保護層 可以通過噴油漆、涂油脂、電鍍或表面鈍化等方法使金屬與介質隔離。 (3)電化學防護 犧牲陽極的陰極保護法——原電池原理 負極 比被保護金屬活潑的金屬 正極 被保護的金屬設備 外加電流的陰極保護法 ——電解原理 陰極 被保護的金屬設備 陽極 惰性金屬 [考法精析] 考法一　金屬腐蝕的規(guī)律 [典例1]　如圖所示，各燒杯中盛海水，鐵在其中被腐蝕的速度由快到慢的順序為(　　) A．②①③④⑤⑥　　　　　 B．⑤④③①②⑥ C．⑤④②①③⑥ D．⑤③②④①⑥ [解析]?、偈荈e為負極，雜質碳為正極的原電池腐蝕，是鐵的吸氧腐蝕，腐蝕較慢，其電極反應式：負極Fe－2e－===Fe2＋，正極2H2O＋O2＋4e－===4OH－。②、③、④均為原電池，③中Fe為正極，被保護；②、④中Fe為負極，均加快了Fe的腐蝕，但Fe和Cu的金屬活動性差別大于Fe和Sn的，故FeCu原電池中Fe腐蝕的較快。⑤是Fe接電源正極作陽極，Cu接電源負極作陰極，加快了Fe的腐蝕。⑥是Fe接電源負極作陰極，Cu接電源正極作陽極，防止了Fe的腐蝕。根據以上分析可知鐵在其中被腐蝕由快到慢的順序為⑤>④>②>①>③>⑥。 [答案]　C [備考方略]　判斷金屬腐蝕快慢的規(guī)律 (1)對同一電解質溶液來說，腐蝕由快到慢：電解池原理引起的腐蝕>原電池原理引起的腐蝕>化學腐蝕>有防護措施的腐蝕。 (2)對同一金屬來說，腐蝕由快到慢：強電解質溶液中>弱電解質溶液中>非電解質溶液中(濃度相同)。 (3)活潑性不同的兩種金屬，活潑性差異越大，二者形成原電池時，較活潑的金屬腐蝕越快。 (4)對同一種電解質溶液來說，電解質濃度越大，金屬腐蝕越快。 考法二　金屬腐蝕的類型 [典例2]　一定條件下，碳鋼腐蝕與溶液pH的關系如下表： pH 2 4 6 6.5 8 13.5 14 腐蝕快慢 較快 慢 較快 主要產物 Fe2＋ Fe3O4 Fe2O3 FeO 下列說法錯誤的是(　　) A．當pH＜4時，碳鋼主要發(fā)生析氫腐蝕 B．當pH＞6時，碳鋼主要發(fā)生吸氧腐蝕 C．當pH＞14時，正極反應為O2 ＋ 4H＋ ＋ 4e－===2H2O D．在煮沸除氧氣后的堿性溶液中，碳鋼腐蝕速率會減緩 [解析]　當溶液呈較強的堿性時，碳鋼主要發(fā)生的是吸氧腐蝕，其正極反應為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，C項錯誤。 [答案]　C 考法三　金屬的防護措施 [典例3]　(2018北京高考)驗證犧牲陽極的陰極保護法，實驗如下(燒杯內均為經過酸化的3%NaCl溶液)。 ① ② ③ 在Fe表面生成藍色沉淀 試管內無明顯變化 試管內生成藍色沉淀 下列說法不正確的是(　　) A．對比②③，可以判定Zn保護了Fe B．對比①②，K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化 C．驗證Zn保護Fe時不能用①的方法 D．將Zn換成Cu，用①的方法可判斷Fe比Cu活潑 [解析]　實驗②中加入K3[Fe(CN)6]，溶液無變化，說明溶液中沒有Fe2＋；實驗③中加入K3[Fe(CN)6]生成藍色沉淀，說明溶液中有Fe2＋，A項正確；對比①②可知，①中K3[Fe(CN)6]可能將Fe氧化成Fe2＋，F(xiàn)e2＋再與K3[Fe(CN)6]反應生成藍色沉淀，B項正確；由以上分析可知，驗證Zn保護Fe時，可以用②③做對比實驗，不能用①的方法，C項正確；K3[Fe(CN)6]可將單質鐵氧化為Fe2＋，F(xiàn)e2＋與K3[Fe(CN)6]生成藍色沉淀，附著在Fe表面，無法判斷鐵比銅活潑，D項錯誤。 [答案]　D [綜合訓練] 1．(2016浙江10月選考)在一塊表面無銹的鐵片上滴食鹽水，放置一段時間后看到鐵片上有鐵銹出現(xiàn)。鐵片腐蝕過程中發(fā)生的總化學方程式：2Fe＋2H2O＋O2===2Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2進一步被氧氣氧化為Fe(OH)3，再在一定條件下脫水生成鐵銹，其原理如圖。下列說法正確的是(　　) A．鐵片發(fā)生還原反應而被腐蝕 B．鐵片腐蝕最嚴重區(qū)域應該是生銹最多的區(qū)域 C．鐵片腐蝕中負極發(fā)生的電極反應：2H2O＋O2＋4e－===4OH－ D．鐵片里的鐵和碳與食鹽水形成無數(shù)微小原電池，發(fā)生了電化學腐蝕 解析：選D　負極發(fā)生的電極反應為Fe－2e－===Fe2＋，F(xiàn)e的化合價升高，發(fā)生氧化反應，生成Fe2＋最多的區(qū)域，腐蝕最嚴重，故A、B、C三項均錯誤。 2．(2017全國卷Ⅰ)支撐海港碼頭基礎的鋼管樁，常用外加電流的陰極保護法進行防腐，工作原理如圖所示，其中高硅鑄鐵為惰性輔助陽極。下列有關表述不正確的是(　　) A．通入保護電流使鋼管樁表面腐蝕電流接近于零 B．通電后外電路電子被強制從高硅鑄鐵流向鋼管樁 C．高硅鑄鐵的作用是作為損耗陽極材料和傳遞電流 D．通入的保護電流應該根據環(huán)境條件變化進行調整 解析：選C　依題意，鋼管樁為陰極，電子流向陰極，陰極被保護，鐵不容易失去電子，故鋼管樁表面腐蝕電流(指鐵失去電子形成的電流)，接近于0，A項正確；陽極上發(fā)生氧化反應，失去電子，電子經外電路流向陰極，B項正確；高硅鑄鐵作陽極，陽極上發(fā)生氧化反應，陽極上主要是海水中的水被氧化生成氧氣，惰性輔助陽極不被損耗，C項錯誤；根據海水對鋼管樁的腐蝕情況，增大或減小電流強度，D項正確。 3．某同學利用如圖所示裝置探究金屬的腐蝕與防護條件。(已知Fe2＋遇K3[Fe(CN)6]溶液呈藍色)。 下列說法不合理的是(　　) A．①區(qū)Cu電極上產生氣泡，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液后出現(xiàn)藍色，F(xiàn)e被腐蝕 B．②區(qū)Cu電極附近滴加酚酞后變成紅色，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出現(xiàn)藍色，F(xiàn)e被腐蝕 C．③區(qū)Zn電極的電極反應式為Zn－2e－===Zn2＋，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液未出現(xiàn)藍色，F(xiàn)e被保護 D．④區(qū)Zn電極的電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出現(xiàn)藍色，F(xiàn)e被腐蝕 解析：選A?、賲^(qū)發(fā)生吸氧腐蝕，Cu為正極，電極反應式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，Cu電極上不產生氣泡，A項錯誤；②區(qū)Cu為陰極，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，Cu電極附近溶液堿性增強，滴加酚酞后變成紅色，F(xiàn)e為陽極，被腐蝕，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出現(xiàn)藍色，B項正確；③區(qū)Zn為負極，電極反應式為Zn－2e－===Zn2＋，F(xiàn)e為正極，被保護，C項正確，④區(qū)Zn為陰極，電極反應式為2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，F(xiàn)e作陽極，被腐蝕，電極反應式為Fe－2e－===Fe2＋，F(xiàn)e電極附近滴加K3[Fe(CN)6]溶液出現(xiàn)藍色，D項正確。 考點二　串聯(lián)電池 1．有外接電源電池類型的判斷方法 有外接電源的各電池均為電解池，若電池陽極材料與電解質溶液中的陽離子相同，則該電池為電鍍池。如： 則甲為電鍍池，乙、丙均為電解池。 2．無外接電源電池類型的判斷方法 (1)直接判斷 非常直觀明顯的裝置，如燃料電池、鉛蓄電池等在電路中，則其他裝置為電解池。如圖所示：A為原電池，B為電解池。 (2)根據電池中的電極材料和電解質溶液判斷 原電池一般是兩種活潑性不同的金屬電極或一種金屬電極和一個碳棒作電極；而電解池則一般都是兩個惰性電極，如兩個鉑電極或兩個碳棒。原電池中的電極材料和電解質溶液之間能發(fā)生自發(fā)的氧化還原反應，電解池的電極材料一般不能和電解質溶液自發(fā)反應。如圖所示：B為原電池，A為電解池。 (3)根據電極反應現(xiàn)象判斷 在某些裝置中根據電極反應或反應現(xiàn)象可判斷電極，并由此判斷電池類型。如圖所示：若C極溶解，D極上析出Cu，B極附近溶液變紅，A極上放出黃綠色氣體，則可知乙是原電池，D是正極，C是負極；甲是電解池，A是陽極，B是陰極。B、D極發(fā)生還原反應，A、C極發(fā)生氧化反應。 [典例]　某同學組裝了如圖所示的電化學裝置，電極Ⅰ為Al，其他均為Cu，下列說法正確的是(　　) A．電流方向：電極 Ⅳ→→電極Ⅰ B．電極Ⅰ發(fā)生還原反應 C．電極Ⅱ逐漸溶解 D．電極Ⅲ的電極反應：Cu2＋＋2e－===Cu [解析]　帶鹽橋的①、②裝置構成原電池，Ⅰ為負極，Ⅱ為正極，裝置③為電解池。A項，電子移動方向：電極Ⅰ→→電極Ⅳ，電流方向與電子移動方向相反，正確；B項，原電池負極在工作中發(fā)生氧化反應，錯誤；C項，原電池正極上發(fā)生還原反應，Cu2＋在電極Ⅱ上得電子，生成Cu，該電極質量逐漸增大，錯誤；D項，電解池中陽極為活性電極時，電極本身被氧化，生成的離子進入溶液中，因為電極Ⅱ為正極，因此電極Ⅲ為電解池的陽極，其電極反應式為Cu－2e－===Cu2＋，錯誤。 [答案]　A [備考方略]　串聯(lián)類電池的解題流程 [綜合訓練] 1．用鉛蓄電池電解AgNO3、Na2SO4的溶液，a、b、c、d電極材料均為石墨。已知鉛蓄電池的總反應為Pb(s)＋PbO2(s)＋2H2SO4(aq)2PbSO4(s)＋2H2O(l)，通電時a電極質量增加，下列說法正確的是(　　) A．電路中通過1 mol電子時，Y電極質量增加48 g B．放電時鉛蓄電池負極的電極反應式為PbO2(s)＋4H＋(aq)＋SO(aq)＋2e－=== PbSO4(s)＋2H2O(l) C．c、d電極產生氣體的物質的量之比為1∶2 D．X極為負極 解析：選A　a極質量增加，即析出了 Ag，a為陰極，則Y為負極，X為正極，D項錯；B項，所寫電極反應式為正極的電極反應式；C項，c為陰極放出H2，d為陽極放出O2，物質的量之比為2∶1。 2．如圖X是直流電源。Y槽中 c、d為石墨棒，Z槽中e、f是質量相同的銅棒。接通電路后，發(fā)現(xiàn)d附近顯紅色。 (1)①電源上b為______極(填“正”“負”“陰”或“陽”，下同)。 ②Z槽中e為________極。 ③連接Y、Z槽線路中，電子流動的方向是d__________e(填“―→”或“ ”)。 (2)①寫出c極上反應的電極反應式：_____________________________________。 ②寫出Y槽中總反應的化學方程式：____________________________________________ ______________________。 ③寫出Z槽中e極上反應的電極反應式： __________________________________。 解析：d極附近顯紅色，說明d為陰極，電極反應式為 2H2O＋2e－===H2↑＋2OH－，c 為陽極，電極反應式為 2Cl－－2e－===Cl2↑，Y槽電解NaCl溶液的總反應方程式為 2NaCl＋2H2O2NaOH＋Cl2↑＋H2↑；直流電源中a為正極，b為負極，Z槽中f為陰極，e為陽極，電極反應式為Cu－2e－===Cu2＋，電子流動方向由e―→d。 答案：(1)①負?、陉枴、邸? (2)①2Cl－－2e－===Cl2↑ ②2NaCl＋2H2O2NaOH＋H2↑＋Cl2↑ ③Cu－2e－===Cu2＋ 考點三　電化學定量計算 電化學的反應是氧化還原反應，各電極上轉移電子的物質的量相等，無論是單一電池還是串聯(lián)電解池，均可抓住電子守恒計算。 1．解題關鍵 (1)電極名稱要區(qū)分清楚。 (2)電極產物要判斷準確。 (3)各產物間量的關系遵循電子得失守恒。 2．計算方法 如以通過4 mol e－為橋梁可構建如下關系式： (式中M為金屬，n為其離子的化合價數(shù)值) 該關系式具有總覽電化學計算的作用和價值，熟記電極反應式，靈活運用關系式便能快速解答常見的電化學計算問題。 [典例]　以石墨電極電解200 mL CuSO4溶液，電解過程中轉移電子的物質的量n(e－)與產生氣體總體積V(標準狀況)的關系如圖所示，下列說法中正確的是(　　) A．電解前CuSO4溶液的物質的量濃度為2 molL－1 B．忽略溶液體積變化，電解后所得溶液中c(H＋)＝2 molL－1 C．當n(e－)＝0.6 mol時，V(H2)∶V(O2)＝3∶2 D．向電解后的溶液中加入16 g CuO，則溶液可恢復到電解前的濃度 [解析]　電解CuSO4溶液時，陽極反應式為2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，陰極反應式為Cu2＋＋2e－===Cu，若陰極上沒有氫離子放電，則圖中氣體體積與轉移電子物質的量的關系曲線是直線，而題圖中是折線，說明陰極上還發(fā)生反應：2H＋＋2e－===H2↑。當轉移0.4 mol電子時，Cu2＋恰好完全析出，n(Cu2＋)＝＝0.2 mol，根據銅原子守恒得，c(CuSO4)＝c(Cu2＋)＝＝1 molL－1，A項錯誤；當轉移0.4 mol電子時，生成n(H2SO4)＝0.2 mol，隨后相當于電解水，因為忽略溶液體積變化，所以電解后所得溶液中c(H＋)＝＝2 molL－1，B項正確；當n(e－)＝0.6 mol時，發(fā)生反應：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項錯誤；因電解后從溶液中析出Cu、O2、H2，所以只加入CuO不能使溶液恢復到電解前的濃度，D項錯誤。 [答案]　B [綜合訓練] 1．將兩個鉑電極插入500 mL CuSO4溶液中進行電解，通電一段時間后，某一電極增重0.064 g(設電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液體積變化)，此時溶液中氫離子濃度約為(　　) A．410－3 molL－1　　　　 B．210－3 molL－1 C．110－3 molL－1 D．110－7 molL－1 解析：選A　陰極反應：Cu2＋＋2e－===Cu，增重0.064 g應是生成Cu的質量，設生成H＋的物質的量為x，根據總反應離子方程式： 2Cu2＋＋2H2O 2Cu＋O2↑＋4H＋ 264 g　　　4 mol 　　　　　　 0.064 g　　　x x＝0.002 mol c(H＋)＝＝410－3 molL－1。 2．在500 mL KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中，c(NO)＝6 molL－1，用石墨電極電解此溶液，當通電一段時間后，兩極均收集到22.4 L氣體(標準狀況)，假定電解后溶液體積仍為500 mL，下列說法正確的是(　　) A．電解得到的Cu的物質的量為0.5 mol B．向電解后的溶液中加入98 g的Cu(OH)2可恢復為原溶液 C．原混合溶液中c(K＋)＝4 molL－1 D．電解后溶液中c(H＋)＝2 molL－1 解析：選B　石墨作電極電解此溶液，當通電一段時間后，兩極均收集到22.4 L氣體(標準狀況)，n(O2)＝＝1 mol，陽極發(fā)生2H2O－4e－===O2↑＋4H＋，生成1 mol氧氣轉移4 mol電子，陰極發(fā)生Cu2＋＋2e－===Cu、2H＋＋2e－===H2↑，生成1 mol氫氣，轉移2 mol 電子，因此還要轉移2 mol電子生成1 mol銅，電解得到的Cu的物質的量為1 mol，故A錯誤；根據電解原理和原子守恒，溶液中減少的原子有銅、氧、氫，向電解后的溶液中加入1 mol Cu(OH)2，可恢復為原溶液，質量為98 g，故B正確；c(Cu2＋)＝＝2 molL－1，由電荷守恒可知，原混合溶液中c(K＋)為6 molL－1－2 molL－12＝2 molL－1，故C錯誤；開始電解時發(fā)生2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋，n(H＋)＝2n(Cu)＝21 mol＝2 mol，當Cu2＋消耗完后，電解HNO3、KNO3溶液，實質上是電解水，n(H＋)＝2 mol不變，電解后溶液中c(H＋)為＝4 molL－1，故D錯誤。 3．按如圖1所示裝置進行電解，A、B、C、D均為鉑電極，回答下列問題。 (1)甲槽電解的是200 mL一定濃度的NaCl與CuSO4的混合溶液，理論上兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系如圖2所示(氣體體積已換算成標準狀況下的體積，電解前后溶液的體積變化忽略不計)。 ①原混合溶液中NaCl的物質的量濃度為______molL－1，CuSO4的物質的量濃度為________molL－1。 ②t2時所得溶液的pH＝________。 (2)乙槽為200 mL CuSO4溶液，乙槽內電解的總離子方程式：_____________________： ①當C極析出0.64 g物質時，乙槽溶液中生成的H2SO4為________mol。電解后，若使乙槽內的溶液完全復原，可向乙槽中加入________(填字母)。 A．Cu(OH)2　　　　　　B．CuO C．CuCO3 D．Cu2(OH)2CO3 ②若通電一段時間后，向所得的乙槽溶液中加入0.2 mol的Cu(OH)2才能恰好恢復到電解前的濃度，則電解過程中轉移的電子數(shù)為________。 解析：(1)①A、B、C、D均為惰性電極Pt，甲槽電解NaCl和CuSO4的混合液，陽極上離子放電順序為Cl－＞OH－＞SO，陰極上離子放電順序為Cu2＋＞H＋＞Na＋，開始階段陰極上析出Cu，陽極上產生Cl2，則題圖2中曲線Ⅰ代表陰極產生氣體體積的變化，曲線Ⅱ代表陽極產生氣體體積的變化。陽極上發(fā)生的反應依次為2Cl－－2e－===Cl2↑、4OH－－4e－===2H2O＋O2↑，由曲線Ⅱ可知，Cl－放電完全時生成224 mL Cl2，根據Cl原子守恒可知，溶液中c(NaCl)＝＝0.1 molL－1；陰極上發(fā)生的反應依次為Cu2＋＋2e－===Cu、2H＋＋2e－===H2↑，由曲線Ⅱ可知Cu2＋放電完全時，陽極上產生224 mL Cl2和112 mL O2，則電路中轉移電子的物質的量為0.01 mol2＋0.005 mol4＝0.04 mol，據得失電子守恒可知n(Cu2＋)＝0.04 mol＝0.02 mol，故混合液中c(CuSO4)＝＝0.1 molL－1。②0～t1時間內相當于電解CuCl2，電解反應式為CuCl2Cu＋Cl2↑，t1～t2時間內相當于電解CuSO4，而電解CuSO4溶液的離子反應為2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋，則生成H＋的物質的量為0.005 mol4＝0.02 mol，則有c(H＋)＝＝0.1 molL－1，故溶液的pH＝1。(2)電解CuSO4溶液時，Cu2＋在陰極放電，水電離的OH－在陽極放電，電解的總離子方程式為2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋。①C極為陰極，電極反應式為Cu2＋＋2e－===Cu，析出0.64 g Cu(即0.01 mol)時，生成H2SO4的物質的量也為0.01 mol。電解CuSO4溶液時，陰極析出Cu，陽極上產生O2，故可向電解質溶液中加入CuO、CuCO3等使電解質溶液完全復原。②加入0.2 mol Cu(OH)2相當于加入0.2 mol CuO和0.2 mol H2O，則電解過程中轉移電子的物質的量為0.2 mol2＋0.2 mol2＝0.8 mol，即0.8NA個電子。 答案：(1)①0.1　0.1?、? (2)2Cu2＋＋2H2O2Cu＋O2↑＋4H＋ ①0.01　BC　②0.8NA