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化学
题目

利用电极电势的概念解释下列现象: (1)配好的Fe2+溶液中要加入一些铁钉。 (2)H2SO3溶液不易保存,只能在使用时临时配制。 (3)海上船舰常镶嵌镁块、锌块或铝合金,防止船壳体的腐蚀。

利用电极电势的概念解释下列现象: (1)配好的Fe2+溶液中要加入一些铁钉。 (2)H2SO3溶液不易保存,只能在使用时临时配制。 (3)海上船舰常镶嵌镁块、锌块或铝合金,防止船壳体的腐蚀。

题目解答

答案

正确答案:(1)在配好的Fe2+溶液中加入一些铁钉是为防止Fe2+被空气中的氧气氧化而使试剂失效。查电极电势表得相关的电极电势数据: φΘ(Fe3+/Fe2+)=0.77VφΘ(Fe2+/Fe)=-0.45VφΘ(O2/H2O)=1.23V。 从上面的数据可以看出Fe2+在水溶液中容易被空气中的氧 气氧化为Fe3+而失效;但从标准电极电势值可以看出φΘ(Fe3+/Fe2+)=0.77V>φΘ(Fe2+/Fe)=-0.45VFe3+能将Fe氧化成 Fe2+即发生以下反应:2Fe3++Fe=3Fe2+由此可见在配好的Fe2+溶液中加入一些铁钉可将被氧化的Fe3+重新还原为 Fe2+从而能防止Fe2+试剂失效。 (2)H2SO3易被氧化。查表可知有关的电极电势数据: φΘ(SO42-/H2SO3)=0.17VφΘ(O2/H2O)=1.23V。由此可以看出H2SO3极易被空气中的氧氧化为SO42-而失去还原性故H2SO3溶液不易保存需在使用时临时配制。 (3)组成船体的钢铁在海水中易被腐蚀。根据金属电化学腐蚀的原理两种活泼性不同的金属相连接可组成原电池其中电极电势低的金属做负极失去电子被腐蚀而电极电势高的金属做正极而得到保护。由电极电势值可知锌、镁和铝的电极电势低于铁电极电势当它们与铁相连时做负极而钢铁船体做正极得到保护。 (1)在配好的Fe2+溶液中加入一些铁钉是为防止Fe2+被空气中的氧气氧化而使试剂失效。查电极电势表得相关的电极电势数据:φΘ(Fe3+/Fe2+)=0.77V,φΘ(Fe2+/Fe)=-0.45V,φΘ(O2/H2O)=1.23V。从上面的数据可以看出,Fe2+在水溶液中容易被空气中的氧气氧化为Fe3+而失效;但从标准电极电势值可以看出,φΘ(Fe3+/Fe2+)=0.77V>φΘ(Fe2+/Fe)=-0.45V,Fe3+能将Fe氧化成Fe2+,即发生以下反应:2Fe3++Fe=3Fe2+,由此可见,在配好的Fe2+溶液中加入一些铁钉,可将被氧化的Fe3+重新还原为Fe2+,从而能防止Fe2+试剂失效。(2)H2SO3易被氧化。查表可知有关的电极电势数据:φΘ(SO42-/H2SO3)=0.17V,φΘ(O2/H2O)=1.23V。由此可以看出,H2SO3极易被空气中的氧氧化为SO42-而失去还原性,故H2SO3溶液不易保存,需在使用时临时配制。(3)组成船体的钢铁在海水中易被腐蚀。根据金属电化学腐蚀的原理,两种活泼性不同的金属相连接可组成原电池,其中电极电势低的金属做负极失去电子被腐蚀,而电极电势高的金属做正极而得到保护。由电极电势值可知,锌、镁和铝的电极电势低于铁电极电势,当它们与铁相连时做负极,而钢铁船体做正极得到保护。

解析

考查要点:本题主要考查电极电势的比较与金属腐蚀原理的应用,涉及氧化还原反应的方向判断及牺牲阳极的保护法。

解题核心思路:

  1. 比较电极电势:根据标准电极电势判断氧化剂的强弱,确定反应进行的方向。
  2. 金属腐蚀与防护:理解金属在电解质中的电化学腐蚀机制,掌握牺牲阳极保护法的原理。

破题关键点:

  • 现象(1):Fe²⁺易被氧化,需通过添加还原剂(铁钉)维持浓度平衡。
  • 现象(2):H₂SO₃易被氧化为SO₄²⁻,需隔绝氧气。
  • 现象(3):利用电极电势差异,使活泼金属(如镁、锌)作为负极优先腐蚀,保护船体。

第(1)题

氧化风险分析

  • Fe²⁺易被氧化:φΘ(O₂/H₂O)=1.23 V > φΘ(Fe³⁺/Fe²⁺)=0.77 V,说明氧气可将Fe²⁺氧化为Fe³⁺。
  • 铁钉的作用:铁钉(Fe)与Fe³⁺接触时,φΘ(Fe³⁺/Fe²⁺)=0.77 V > φΘ(Fe²⁺/Fe)=-0.45 V,Fe³⁺可氧化铁钉中的Fe,反应为:
    $2\text{Fe}^{3+} + \text{Fe} \rightarrow 3\text{Fe}^{2+}$
    从而将Fe³⁺还原为Fe²⁺,防止试剂失效。

第(2)题

氧化稳定性分析

  • H₂SO₃易被氧化:φΘ(O₂/H₂O)=1.23 V > φΘ(SO₄²⁻/H₂SO₃)=0.17 V,氧气可将H₂SO₃氧化为SO₄²⁻,反应为:
    $\text{H}_2\text{SO}_3 + \text{O}_2 \rightarrow \text{SO}_4^{2-} + \text{H}_2\text{O}$
    导致溶液失效,需现用现配。

第(3)题

牺牲阳极保护法

  • 电极电势比较:镁、锌、铝的φΘ低于铁(如φΘ(Al/Al³⁺)≈-1.66 V < φΘ(Fe²⁺/Fe)=-0.45 V)。
  • 腐蚀机制:镁、锌、铝作为负极优先失去电子被腐蚀,铁作为正极被保护,反应为:
    $\text{负极(如Mg)}:\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2e^-$
    $\text{正极(铁)}:\text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 4e^- \rightarrow 4\text{OH}^-$
    从而延缓船体腐蚀。

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