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电化学知识是高中无机化学理论的重要组成部分,也是近年高考必考的内容,重现率高,几乎每年每套高考题中都有对这部分知识的考查,主要以选择题的形式出现,有时也在主观题中与其他知识一起进行考查。
本人在教学过程中发现,电化学中的定量计算成为初学者的难点,所以将其总结以便学生将其掌握。进行计算的前提是牢固掌握电化学的基础知识,再结合相应的方法做题时才能得心应手。
进行电解计算时,首先要分析电解质溶液中存在的离子种类,电解池的阴、阳极材料,特别要注意阳极是活性电极还是惰性电极,若为活性电极,电极本身失电子被氧化;若为惰性电极,根据两极阴、阳离子的放电顺序,再结合具体题目的情境,选择合适的方法进行计算。现将计算方法总结如下:
方法一:根据电子得失守恒计算
【例1】如下图所示,某同学设计一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。根据要求回答相关问题:
若在标准状况下,有2.24 L氧气参加反应,则乙装置中铁电极上生成的气体的分子数为 ;丙装置中阴极析出铜的质量为 。
解:首先分析一下装置,甲为一个原电池装置,乙和丙都为电解池。甲中通氧气的一极为正极,所发生的反应为O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-。乙中铁电极阴极,饱和氯化钠作为电解质溶液,所发生的反应为2H+ + 2e- = H2↑。丙装置中阴极所发生的反应为Cu2+ + 2e- = Cu 。参与反应n(O2) = 0.1 mol。由得失电子守恒:
O2 ~ 4e- ~ 2 H2 ~ 2 Cu
0.1mol 0.2mol 0.2mol
因此得出答案:乙装置中铁电极上生成的气体的分子数为0.2NA;丙装置中阴极析出铜的质量为0.2 mol×64 g·mol-1=12.8 g。
在整个分析过程中如果不书写电极反应式,知道在每个电极上所生成的物质,我们可以直接得出上述关系式,这样能既省时又准确地得出答案。在电解池中生成哪些物质时能转移4 mol e-呢?
其中M表示金属单质,n表示金属元素M在化合物中的化合价。
以后遇到求串联电池中某电极质量的变化、电解池中某极产生或原电池中某极消耗标准状况下气体的体积(物质的量、分子數)、电解池中原电解质溶液(离子)的浓度时,我们都可以采用得失电子守恒的方法来进行解答,特别是这样的关系式使用起来是非常方便快捷的。
方法二:根据某离子守恒计算
【例2】用惰性电极电解100 mL 4.0 mol ·L-1的CuSO4溶液,一定时间后在阳极收集到1.12 L(标况下)气体,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,充分作用后溶液中的Fe2+浓度为(设溶液的体积不变,反应前后均为标准状况)( )
A.2.7 mol·L-1 B.3 .0 mol·L-1 C.4 .0 mol·L-1 D.1.0 mol·L-1
解:此电解池中阳极所发生的反应为2H2O-4e- = O2↑ + 4H+ ,n(O2) = 0.05 mol ,阳极失电子数为0.2 mol ,阴极所发生的反应为Cu2+ + 2e- = Cu ,由得失电子数相等有阴极析出0.1 mol Cu ,即溶液中还剩0.3 mol CuSO4 ,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,应该发生两个反应:Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu ,Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑,无论量如何,反应最终生成的都为FeSO4 ,原溶液中c(SO42-) = 4.0 mol ·L-1 ,
所以充分作用后溶液中的c(Fe2+)= 4.0 mol ·L-1 ,答案选C。
若抛开中间的分析过程,我们只要知道溶液中的溶质最终全部都为FeSO4 ,那即可轻松地把答案选出来。这种方法适用于电解后溶液中某离子的物质的量不变,求出与之相联系的某物质或某离子的物质的量(或物质的量浓度)。
方法三:根据总反应式计算
【例3】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0.064g (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( )
A.4×10-3 mol·L-1 B.2×10-3 mol·L-1 C.1×10-3 mol·L-1 D.1×10-7 mol·L-1
解:由电解总反应式得 ,生成n(Cu) = 0.001 mol ,则生成的n(H2SO4) = 0.001 mol ,n(H+) = 0.002 mol ,c(H+) = 0.004 mol·L-1 ,故选A。
本题采用此方法比较简单,很快得出正确答案。此方法多用于电解某盐溶液后,求生成的H + 或OH- 的浓度、或求溶液的PH值。
【小结】电化学在高中化学中是比较成系统的内容,以氧化还原反应为基础,是高考中的热点及难点,其定量计算一般不单独考查,常与电池电极的判断、电极产生的现象、电子或离子移动的方向、电极反应式的书写、电极附近或溶液pH的变化等知识一起考查电化学的原理,内容比较综合。计算是在掌握原电池及电解池原理的基础上才能进行的,要求学生掌握好基础知识。守恒思想在化学中的应用很广泛,也很重要。希望以上三种方法对读者能有所帮助。
本人在教学过程中发现,电化学中的定量计算成为初学者的难点,所以将其总结以便学生将其掌握。进行计算的前提是牢固掌握电化学的基础知识,再结合相应的方法做题时才能得心应手。
进行电解计算时,首先要分析电解质溶液中存在的离子种类,电解池的阴、阳极材料,特别要注意阳极是活性电极还是惰性电极,若为活性电极,电极本身失电子被氧化;若为惰性电极,根据两极阴、阳离子的放电顺序,再结合具体题目的情境,选择合适的方法进行计算。现将计算方法总结如下:
方法一:根据电子得失守恒计算
【例1】如下图所示,某同学设计一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理,其中乙装置中X为阳离子交换膜。根据要求回答相关问题:
若在标准状况下,有2.24 L氧气参加反应,则乙装置中铁电极上生成的气体的分子数为 ;丙装置中阴极析出铜的质量为 。
解:首先分析一下装置,甲为一个原电池装置,乙和丙都为电解池。甲中通氧气的一极为正极,所发生的反应为O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-。乙中铁电极阴极,饱和氯化钠作为电解质溶液,所发生的反应为2H+ + 2e- = H2↑。丙装置中阴极所发生的反应为Cu2+ + 2e- = Cu 。参与反应n(O2) = 0.1 mol。由得失电子守恒:
O2 ~ 4e- ~ 2 H2 ~ 2 Cu
0.1mol 0.2mol 0.2mol
因此得出答案:乙装置中铁电极上生成的气体的分子数为0.2NA;丙装置中阴极析出铜的质量为0.2 mol×64 g·mol-1=12.8 g。
在整个分析过程中如果不书写电极反应式,知道在每个电极上所生成的物质,我们可以直接得出上述关系式,这样能既省时又准确地得出答案。在电解池中生成哪些物质时能转移4 mol e-呢?
其中M表示金属单质,n表示金属元素M在化合物中的化合价。
以后遇到求串联电池中某电极质量的变化、电解池中某极产生或原电池中某极消耗标准状况下气体的体积(物质的量、分子數)、电解池中原电解质溶液(离子)的浓度时,我们都可以采用得失电子守恒的方法来进行解答,特别是这样的关系式使用起来是非常方便快捷的。
方法二:根据某离子守恒计算
【例2】用惰性电极电解100 mL 4.0 mol ·L-1的CuSO4溶液,一定时间后在阳极收集到1.12 L(标况下)气体,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,充分作用后溶液中的Fe2+浓度为(设溶液的体积不变,反应前后均为标准状况)( )
A.2.7 mol·L-1 B.3 .0 mol·L-1 C.4 .0 mol·L-1 D.1.0 mol·L-1
解:此电解池中阳极所发生的反应为2H2O-4e- = O2↑ + 4H+ ,n(O2) = 0.05 mol ,阳极失电子数为0.2 mol ,阴极所发生的反应为Cu2+ + 2e- = Cu ,由得失电子数相等有阴极析出0.1 mol Cu ,即溶液中还剩0.3 mol CuSO4 ,向电解后的溶液中加入足量的铁粉,应该发生两个反应:Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu ,Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑,无论量如何,反应最终生成的都为FeSO4 ,原溶液中c(SO42-) = 4.0 mol ·L-1 ,
所以充分作用后溶液中的c(Fe2+)= 4.0 mol ·L-1 ,答案选C。
若抛开中间的分析过程,我们只要知道溶液中的溶质最终全部都为FeSO4 ,那即可轻松地把答案选出来。这种方法适用于电解后溶液中某离子的物质的量不变,求出与之相联系的某物质或某离子的物质的量(或物质的量浓度)。
方法三:根据总反应式计算
【例3】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0.064g (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( )
A.4×10-3 mol·L-1 B.2×10-3 mol·L-1 C.1×10-3 mol·L-1 D.1×10-7 mol·L-1
解:由电解总反应式得 ,生成n(Cu) = 0.001 mol ,则生成的n(H2SO4) = 0.001 mol ,n(H+) = 0.002 mol ,c(H+) = 0.004 mol·L-1 ,故选A。
本题采用此方法比较简单,很快得出正确答案。此方法多用于电解某盐溶液后,求生成的H + 或OH- 的浓度、或求溶液的PH值。
【小结】电化学在高中化学中是比较成系统的内容,以氧化还原反应为基础,是高考中的热点及难点,其定量计算一般不单独考查,常与电池电极的判断、电极产生的现象、电子或离子移动的方向、电极反应式的书写、电极附近或溶液pH的变化等知识一起考查电化学的原理,内容比较综合。计算是在掌握原电池及电解池原理的基础上才能进行的,要求学生掌握好基础知识。守恒思想在化学中的应用很广泛,也很重要。希望以上三种方法对读者能有所帮助。