高考化学大一轮学考复习考点突破第六章化学反应与能量第22讲电解池金属的电化学腐蚀与防护检测.docx
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高考化学大一轮学考复习考点突破第六章化学反应与能量第22讲电解池金属的电化学腐蚀与防护检测
第六章化学反应与能量第22讲电解池金属的电化学腐蚀与防护
考纲要求
1.理解电解池的构成、工作原理及应用,能书写电极反应和总反应方程式。
2.了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。
考点一 电解的原理
1.电解定义
在电流作用下,电解质在两个电极上分别发生氧化反应和还原反应的过程。
2.能量转化形式
电能转化为化学能。
3.电解池
(1)构成条件
①有与电源相连的两个电极。
②电解质溶液(或熔融盐)。
③形成闭合回路。
(2)电极名称及电极反应式(如图)
(3)电子和离子的移动方向
4.阴阳两极上放电顺序
阴离子失去电子或阳离子得到电子的过程叫放电。
离子的放电顺序取决于离子本身的性质即离子得失电子的能力,另外也与离子的浓度及电极材料有关。
(1)阴极:
阴极上放电的总是溶液中的阳离子,与电极材料无关。
氧化性强的先放电,放电顺序:
(2)阳极:
若是活性电极作阳极,则活性电极首先失电子,发生氧化反应。
若是惰性电极作阳极,则仅是溶液中的阴离子放电,常见离子的放电顺序是
特别提醒 一般情况下,离子按上述顺序放电,但如果离子浓度相差十分悬殊,离子浓度大的也可以先放电。
如理论上H+的放电能力大于Fe2+、Zn2+,但在电解浓度大的硫酸亚铁或硫酸锌溶液中,由于溶液中c(Fe2+)或c(Zn2+)≥c(H+),则先在阴极上放电的是Fe2+或Zn2+,因此阴极上的主要产物为Fe或Zn;但在水溶液中,Al3+、Mg2+、Na+等是不会在阴极上放电的。
深度思考
1.分析电解下列物质的过程,并总结电解规律(用惰性电极电解)。
(1)电解水型
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
含氧酸(如H2SO4)
阳极:
4OH--4e-===O2↑+2H2O
阴极:
4H++4e-===2H2↑
H2O
2H2O
O2↑+2H2↑
增大
减小
加H2O
强碱(如NaOH)
增大
加H2O
活泼金属的含氧酸盐(如KNO3、Na2SO4)
不变
加H2O
电解水型电解一段时间后,其电解质的浓度一定增大吗?
举例说明。
答案 不一定,如用惰性电极电解饱和Na2SO4溶液,一段时间后会析出Na2SO4·10H2O晶体,剩余溶液仍为该温度下的饱和溶液,此时浓度保持不变。
(2)电解电解质型
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解
物质
总化学
方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
无氧酸(如HCl),除HF外
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
酸
2HCl
H2↑+Cl2↑
减小
增大
通入HCl
气体
不活泼金属的无氧酸盐(如CuCl2),除氟化物外
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑阴极:
Cu2++2e-===Cu
盐
CuCl2
Cu+Cl2↑
加CuCl2固体
(3)放H2生碱型
电解质
(水溶液)
电极
方程式
电解物质
总化学方程式
电解质浓度
溶液
pH
溶液复原
活泼金属的无氧酸盐(如NaCl)
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑
阴极:
2H++2e-===H2↑
水
和
盐
2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
生成新电解质
增大
通入HCl气体
要使电解后的NaCl溶液复原,滴加盐酸可以吗?
为什么?
答案 不可以,因为电解NaCl溶液时析出的是等物质的量的Cl2和H2,所以应通入氯化氢气体,加入盐酸会引入过多的水。
(4)放O2生酸型
电解质
(水溶液)
电极方程式
电解
物质
总化学方程式
电解质
浓度
溶液
pH
溶液
复原
不活泼金属的含氧酸盐(如CuSO4)
阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑
阴极:
2Cu2++4e-===2Cu
水
和
盐
2Cu2++2H2O
2Cu+O2↑+4H+
生成新电解质
减小
加CuO或CuCO3
①要使电解后的CuSO4溶液复原,加入Cu(OH)2固体可以吗?
为什么?
加入CuCO3为什么也可复原?
答案 不可以 因为电解CuSO4溶液时,尽管Cu2+和OH-分别放电,按照电极反应式Cu2++2e-===Cu、4OH--4e-===2H2O+O2↑,氢元素变成H2O仍然留在溶液中,只有Cu析出和O2逸出,且物质的量之比为2∶1,所以要让溶液复原,需要加CuO,而不能加Cu(OH)2。
加入CuCO3时,CO2变为气体逸出,相当于加的是CuO。
②若用惰性电极电解CuSO4溶液一段时间后,需加入98gCu(OH)2固体,才能使电解质溶液复原,则这段时间,整个电路中转移的电子数为多少?
答案 4NA
解析 方法一:
98gCu(OH)2的物质的量为1mol,相当于电解了1mol的CuSO4后,又电解了1mol的水,所以转移的电子数为2NA+2NA=4NA。
方法二:
可以认为整个电路中转移的电子数与Cu(OH)2的O2-失电子数相等,共4NA。
(5)通过以上分析,电解质溶液复原应遵循什么原则?
答案 电解质溶液的复原应遵循“从溶液中析出什么补什么”的原则,即从溶液中析出哪种元素的原子,则应按比例补入哪些原子。
2.根据金属活动顺序表,Cu和稀H2SO4不反应,怎样根据电化学的原理实现Cu和稀H2SO4反应产生H2?
答案 Cu作阳极,C作阴极,稀H2SO4作电解质溶液,通入直流电就可以实现该反应。
电解反应式为阳极:
Cu-2e-===Cu2+,阴极:
2H++2e-===H2↑。
总反应式:
Cu+2H+
Cu2++H2↑。
题组一 电解规律的应用
1.以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水,关于两个电解池反应的说法正确的是( )
A.阳极反应式相同
B.电解结束后所得液体的pH相同
C.阴极反应式相同
D.通过相同电量时生成的气体总体积相等(同温同压)
答案 C
解析 A项,以石墨为电极电解水,阳极:
4OH--4e-===2H2O+O2↑,以石墨为电极电解饱和食盐水,阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑,二者阳极电极反应式不同,故A错误;B项,电解水溶液的pH不变,电解饱和氯化钠溶液生成氢氧化钠、氯气和氢气,pH变大,所以电解结束后所得液体的pH不相同,故B错误;C项,以石墨为电极分别电解水和饱和食盐水阴极上都是2H++2e-===H2↑,所以阴极电极反应式相同,故C正确;D项,设转移电子数为4mol,则依据电解方程式:
2H2O
2H2↑+O2↑~4e-,电解水生成3mol气体,依据电解方程式2NaCl+2H2O
2NaOH+Cl2↑+H2↑~2e-,电解饱和食盐水生成4mol气体,故D错误。
2.用惰性电极电解下列各组中的三种电解质溶液,在电解的过程中,溶液的pH依次为升高、不变、降低的是( )
A.AgNO3 CuCl2 Cu(NO3)2
B.KCl Na2SO4 CuSO4
C.CaCl2 KOH NaNO3
D.HCl HNO3 K2SO4
答案 B
解析 由电解电解质溶液的四种类型可知:
类型
化学物质
pH变化
放O2生酸型
CuSO4、AgNO3、Cu(NO3)2
降低
放H2生碱型
KCl、CaCl2
升高
电解电解质型
CuCl2
—
HCl
升高
电解H2O型
NaNO3、Na2SO4、K2SO4
不变
KOH
升高
HNO3
降低
题组二 电极方程式及电极产物的判断
3.(2016·北京理综,12)用石墨电极完成下列电解实验。
实验一
实验二
装置
现象
a、d处试纸变蓝;b处变红,局部褪色;c处无明显变化
两个石墨电极附近有气泡产生;n处有气泡产生……
下列对实验现象的解释或推测不合理的是( )
A.a、d处:
2H2O+2e-===H2↑+2OH-
B.b处:
2Cl--2e-===Cl2↑
C.c处发生了反应:
Fe-2e-===Fe2+
D.根据实验一的原理,实验二中m处能析出铜
答案 B
解析 A项,a、d处试纸变蓝,说明溶液显碱性,是溶液中的氢离子得到电子生成氢气,氢氧根离子剩余造成的,正确;B项,b处变红,局部褪色,说明是溶液中的氯离子放电生成氯气同时与H2O反应生成HClO和H+,Cl--2e-+H2O===HClO+H+,错误;C项,c处为阳极,铁失去电子生成亚铁离子,正确;D项,实验一中ac形成电解池,bd形成电解池,所以实验二中形成3个电解池,n(右面)有气泡生成,为阴极产生氢气,n的另一面(左面)为阳极产生Cu2+,Cu2+在m的右面得电子析出铜,正确。
4.按要求书写电极反应式和总反应方程式:
(1)用惰性电极电解MgCl2溶液
阳极反应式:
;
阴极反应式:
;
总反应离子方程式:
。
(2)用Al作电极电解NaOH溶液
阳极反应式:
;
阴极反应式:
;
总反应离子方程式:
。
(3)用Al作阳极,电解H2SO4溶液,铝材表面形成氧化膜
阳极反应式:
;
阴极反应式:
;
总反应离子方程式:
。
答案
(1)2Cl--2e-===Cl2↑
2H++2e-===H2↑(或2H2O+2e-===H2↑+2OH-)
Mg2++2Cl-+2H2O
Mg(OH)2↓+Cl2↑+H2↑
(2)2Al-6e-+8OH-===2AlO
+4H2O 6H2O+6e-===3H2↑+6OH-(或6H++6e-===3H2↑)
2Al+2H2O+2OH-
2AlO
+3H2↑
(3)2Al-6e-+3H2O===Al2O3+6H+
6H++6e-===3H2↑ 2Al+3H2O
Al2O3+3H2↑
5.
(1)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。
利用如图装置电解制备LiOH,两电极区电解液分别为LiOH和LiCl溶液。
B极区电解液为(填化学式)溶液,阳极电极反应式为,
电解过程中Li+向(填“A”或“B”)电极迁移。
(2)离子液体是一种室温熔融盐,为非水体系。
由有机阳离子、Al2Cl
和AlCl
组成的离子液体作电解液时,可在钢制品上电镀铝。
钢制品应接电源的极,已知电镀过程中不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应,阴极电极反应式为。
若改用AlCl3水溶液作电解液,则阴极产物为。
答案
(1)LiOH 2Cl--2e-===Cl2↑ B
(2)负 4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
H2
解析
(1)B极区生成H2,同时会生成LiOH,则B极区电解液为LiOH溶液;电极A为阳极,在阳极区LiCl溶液中Cl-放电,电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑;在电解过程中Li+(阳离子)向B电极(阴极区)迁移。
(2)在钢制品上电镀铝,故钢制品应作阴极,与电源的负极相连;因为电镀过程中“不产生其他离子且有机阳离子不参与电极反应”,Al元素在熔融盐中以Al2Cl
和AlCl
形式存在,则电镀过程中负极上得到电子的反应是4Al2Cl
+3e-===Al+7AlCl
;在水溶液中,得电子能力:
H+>Al3+,故阴极上发生的反应是2H++2e-===H2↑。
做到“三看”,正确书写电极反应式
(1)一看电极材料,若是金属(Au、Pt除外)作阳极,金属一定被电解(注:
Fe生成Fe2+)。
(2)二看介质,介质是否参与电极反应。
(3)三看是否有特殊信息,如4(3)目的是制取氧化铝,因而阳极产物不能是Al3+,再如5
(2)是非水体系,且不产生其他离子,因而离子只能在Al2Cl
和AlCl
之间转化。
题组三 有关电化学的计算
6.将两个铂电极插入500mLCuSO4溶液中进行电解,通电一定时间后,某一电极增重0.064g(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.4×10-3mol·L-1B.2×10-3mol·L-1
C.1×10-3mol·L-1D.1×10-7mol·L-1
答案 A
解析 根据2CuSO4+2H2O
2Cu+2H2SO4+O2↑,得:
n(H+)=2n(H2SO4)=2n(Cu)=2×
=0.002mol,c(H+)=
=4×10-3mol·L-1。
7.500mLKNO3和Cu(NO3)2的混合溶液中c(NO
)=0.6mol·L-1,用石墨作电极电解此溶液,当通电一段时间后,两极均收集到2.24L气体(标准状况下),假定电解后溶液体积仍为500mL,下列说法正确的是( )
A.原混合溶液中c(K+)为0.2mol·L-1
B.上述电解过程中共转移0.2mol电子
C.电解得到的Cu的物质的量为0.05mol
D.电解后溶液中c(H+)为0.2mol·L-1
答案 A
解析 石墨作电极电解KNO3和Cu(NO3)2的混合溶液,阳极反应式为4OH--4e-===2H2O+O2↑,阴极先后发生两个反应:
Cu2++2e-===Cu,2H++2e-===H2↑。
从收集到O2为2.24L可推知上述电解过程中共转移0.4mol电子,而在生成2.24LH2的过程中转移0.2mol电子,所以Cu2+共得到0.4mol-0.2mol=0.2mol电子,电解前Cu2+的物质的量和电解得到的Cu的物质的量都为0.1mol。
电解前后分别有以下守恒关系:
c(K+)+2c(Cu2+)=c(NO
),c(K+)+c(H+)=c(NO
),不难算出:
电解前c(K+)=0.2mol·L-1,电解后c(H+)=0.4mol·L-1。
8.(2017·牡丹江一中月考)用惰性电极电解一定浓度的CuSO4溶液时,通电一段时间后,向所得的溶液中加入0.1molCu2(OH)2CO3后恰好恢复到电解前的浓度和
pH(不考虑二氧化碳的溶解)。
则电解过程中转移电子的物质的量为( )
A.0.4molB.0.5mol
C.0.6molD.0.8mol
答案 C
解析 电解硫酸铜时,开始硫酸铜和水反应生成铜、氧气和硫酸,后来电解水生成氢气与氧气。
如果只按照第一阶段的电解,反应后只需要加入氧化铜或碳酸铜即可恢复原电解质溶液。
而题目中加入的是碱式碳酸铜,相当于加入了0.2mol氧化铜和0.1mol水,而0.1mol水是第二阶段的反应所消耗的,该阶段转移了0.2mol电子,第一阶段转移了0.4mol电子,即一共转移了0.6mol电子,C项正确。
电化学综合计算的三种常用方法
(1)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。
(2)根据电子守恒计算
①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用于混合溶液中电解的分阶段计算。
(3)根据关系式计算
根据得失电子守恒定律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4mole-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。
提示 在电化学计算中,还常利用Q=I·t和Q=n(e-)×NA×1.60×10-19C来计算电路中通过的电量。
考点二 电解原理在工业生产中的应用
1.氯碱工业
(1)电极反应
阳极反应式:
2Cl--2e-===Cl2↑(氧化反应)
阴极反应式:
2H++2e-===H2↑(还原反应)
(2)总反应方程式
2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑
(3)氯碱工业生产流程图
2.电镀
下图为金属表面镀银的工作示意图,据此回答下列问题:
(1)镀件作阴极,镀层金属银作阳极。
(2)电解质溶液是AgNO3溶液等含镀层金属阳离子的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Ag-e-===Ag+;
阴极:
Ag++e-===Ag。
(4)特点:
阳极溶解,阴极沉积,电镀液的浓度不变。
3.电解精炼铜
(1)电极材料:
阳极为粗铜;阴极为纯铜。
(2)电解质溶液:
含Cu2+的盐溶液。
(3)电极反应:
阳极:
Zn-2e-===Zn2+、Fe-2e-===Fe2+、Ni-2e-===Ni2+、Cu-2e-===Cu2+;
阴极:
Cu2++2e-===Cu。
4.电冶金
利用电解熔融盐的方法来冶炼活泼金属Na、Ca、Mg、Al等。
(1)冶炼钠
2NaCl(熔融)
2Na+Cl2↑
电极反应:
阳极:
2Cl--2e-===Cl2↑;阴极:
2Na++2e-===2Na。
(2)冶炼铝
2Al2O3(熔融)
4Al+3O2↑
电极反应:
阳极:
6O2--12e-===3O2↑;
阴极:
4Al3++12e-===4Al。
深度思考
正误判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)电镀铜和电解精炼铜时,电解质溶液中c(Cu2+)均保持不变( )
(2)电解饱和食盐水时,两个电极均不能用金属材料( )
(3)电解冶炼镁、铝通常电解MgCl2和Al2O3,也可以电解MgO和AlCl3( )
(4)电解精炼时,阳极泥可以作为提炼贵重金属的原料( )
(5)用Zn作阳极,Fe作阴极,ZnCl2作电解质溶液,由于放电顺序H+>Zn2+,不可能在铁上镀锌( )
答案
(1)×
(2)× (3)× (4)√ (5)×
题组一 应用电解原理制备新物质
1.下图为EFC剑桥法用固体二氧化钛(TiO2)生产海绵钛的装置示意图,其原理是在较低的阴极电位下,TiO2(阴极)中的氧解离进入熔融盐,阴极最后只剩下纯钛。
下列说法中正确的是( )
A.阳极的电极反应式为2Cl--2e-===Cl2↑
B.阴极的电极反应式为TiO2+4e-===Ti+2O2-
C.通电后,O2-、Cl-均向阴极移动
D.石墨电极的质量不发生变化
答案 B
解析 电解质中的阴离子O2-、Cl-向阳极移动,由图示可知阴极生成O2、CO、CO2,所以电极反应为2O2--4e-===O2↑,O2与石墨反应生成CO、CO2,A、C、D项错误,只有B项正确。
2.氯碱工业以电解精制饱和食盐水的方法制取氯气、氢气、烧碱和氯的含氧酸盐等系列化工产品。
下图是离子交换膜法电解食盐水的示意图,图中的离子交换膜只允许阳离子通过。
完成下列填空:
(1)写出电解饱和食盐水的离子方程式:
。
(2)离子交换膜的作用为、
。
(3)精制饱和食盐水从图中(选填“a”、“b”、“c”或“d”)位置补充,氢氧化钠溶液从图中位置流出。
答案
(1)2Cl-+2H2O
Cl2↑+H2↑+2OH-
(2)能得到纯度更高的氢氧化钠溶液 阻止阳极产生的Cl2和阴极产生的H2混合发生反应
(3)a d
3.(2016·北京市西城区高三上学期一模)利用下图所示装置电解制备NCl3(氯的化合价为+1价),其原理是
NH4Cl+2HCl
NCl3+3H2↑
(1)b接电源的(填“正”或“负”)极。
(2)阳极反应式是。
答案
(1)负
(2)3Cl--6e-+NH
===NCl3+4H+
解析
(1)b电极,H+得电子生成H2,发生还原反应,所以b电极为阴极,连接电源的负极。
(2)阳极反应物为NH4Cl,生成物为NCl3,题目中给出氯的化合价为+1价,所以氯失电子,化合价升高,氮、氢不变价,然后根据电荷守恒配平方程式,则阳极反应式是3Cl--6e-+NH
===NCl3+4H+。
题组二 精炼和电镀
4.电解法精炼含有Fe、Zn、Ag等杂质的粗铜。
下列叙述正确的是( )
A.电解时以硫酸铜溶液作电解液,精铜作阳极
B.粗铜与电源负极相连,发生氧化反应
C.阴极上发生的反应是Cu2++2e-===Cu
D.电解后Fe、Zn、Ag等杂质会沉积在电解槽底部形成阳极泥
答案 C
解析 根据电解池原理,粗铜作阳极,比铜活泼的Zn、Fe等杂质发生氧化反应,比Cu不活泼的金属单质,如Ag、Au等在阳极底部沉积;精铜作阴极,只发生Cu2++2e-===Cu。
5.以KCl和ZnCl2混合液为电镀液在铁制品上镀锌,下列说法正确的是( )
A.未通电前上述镀锌装置可构成原电池,电镀过程是该原电池的充电过程
B.因部分电能转化为热能,电镀时通过的电量与锌的析出量无确定关系
C.电镀时保持电流恒定,升高温度不改变电解反应速率
D.镀锌层破损后即对铁制品失去保护作用
答案 C
解析 本题考查了电化学原理的应用中电镀的知识点。
电镀前,Zn与Fe构成原电池,Zn为负极,Fe为正极,电镀时,Fe为阴极,Zn为阳极,原电池充电时,原电池负极为阴极、正极为阳极,故不属于原电池的充电过程,A错误;根据电子守恒,通过电子的电量与析出Zn的量成正比,B错误;电流恒定,单位时间通过的电子的物质的量恒定,即电解速率恒定,C正确;镀层破损后,Zn与Fe仍能构成原电池,其中Zn为负极被腐蚀,Fe为正极被保护,D错误。
题组三 应用电解原理治理污染
6.用下图所示装置处理含CN-废水时,控制溶液pH为9~10,并加入NaCl,一定条件下电解,阳极产生的ClO-将CN-氧化为无害物质而除去。
铁电极为(填“阴极”或“阳极”),阳极产生ClO-的电极反应为
。
答案 阴极 2OH-+Cl--2e-===ClO-+H2O
7.用NaOH溶液吸收烟气中的SO2,将所得的Na2SO3溶液进行电解,可循环再生NaOH,同时得到H2SO4,其原理如下图所示(电极材料为石墨)。
(1)图中a极要连接电源的(填“正”或“负”)极,C口流出的物质是。
(2)SO
放电的电极反应式为。
(3)电解过程中阴极区碱性明显增强,用平衡移动原理解释原因。
答案
(1)负 硫酸
(2)SO
-2e-+H2O===SO
+2H+
(3)H2OH++OH-,在阴极H+放电生成H2,c(H+)减小,水的电离平衡正向移动,碱性增强
解析 根据Na+、SO
的移向判断阴、阳极。
Na+移向阴极区,a应接电源负极,b应接电源正极,其电极反应式分别为
阳极:
SO
-2e-+H2O===SO
+2H+
阴极:
2H++2e-===H2↑
所以从C口流出的是H2SO4,在阴极区,由于H+放电,破坏水的电离平衡,c(H+)减小,c(OH-)增大,生成NaOH,碱性增强,从B口流出的是浓度较大的NaOH溶液。
1.常见的隔膜
隔膜又叫离子交换膜,由高分子特殊材料制成。
离子交换膜分三类:
(1)阳离子交换膜,简称阳膜,只允许阳离子通过,即允许H+和其他阳离子通过,不允许阴离子通过。
(2)阴离子交换膜,简称阴膜,只允许阴离子通过,不允许阳离子通过。
(3)质子交换膜,只允许H+通过,不允许其他阳离子和阴离子通过。
2.隔膜的作用
(1)能将两极区隔离,阻止两极区产生的物质接触,防止发生化学反应。
(2)能选择性的通过离子,起到平衡电荷、形成闭合回路的作
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