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      電化學中的定量計算

      2018-05-14 04:49:31王芳
      學校教育研究 2018年13期
      關鍵詞:電解池陰極電解

      王芳

      電化學知識是高中無機化學理論的重要組成部分,也是近年高考必考的內容,重現(xiàn)率高,幾乎每年每套高考題中都有對這部分知識的考查,主要以選擇題的形式出現(xiàn),有時也在主觀題中與其他知識一起進行考查。

      本人在教學過程中發(fā)現(xiàn),電化學中的定量計算成為初學者的難點,所以將其總結以便學生將其掌握。進行計算的前提是牢固掌握電化學的基礎知識,再結合相應的方法做題時才能得心應手。

      進行電解計算時,首先要分析電解質溶液中存在的離子種類,電解池的陰、陽極材料,特別要注意陽極是活性電極還是惰性電極,若為活性電極,電極本身失電子被氧化;若為惰性電極,根據(jù)兩極陰、陽離子的放電順序,再結合具體題目的情境,選擇合適的方法進行計算?,F(xiàn)將計算方法總結如下:

      方法一:根據(jù)電子得失守恒計算

      【例1】如下圖所示,某同學設計一個燃料電池并探究氯堿工業(yè)原理和粗銅的精煉原理,其中乙裝置中X為陽離子交換膜。根據(jù)要求回答相關問題:

      若在標準狀況下,有2.24 L氧氣參加反應,則乙裝置中鐵電極上生成的氣體的分子數(shù)為 ;丙裝置中陰極析出銅的質量為 。

      解:首先分析一下裝置,甲為一個原電池裝置,乙和丙都為電解池。甲中通氧氣的一極為正極,所發(fā)生的反應為O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-。乙中鐵電極陰極,飽和氯化鈉作為電解質溶液,所發(fā)生的反應為2H+ + 2e- = H2↑。丙裝置中陰極所發(fā)生的反應為Cu2+ + 2e- = Cu 。參與反應n(O2) = 0.1 mol。由得失電子守恒:

      O2 ~ 4e- ~ 2 H2 ~ 2 Cu

      0.1mol 0.2mol 0.2mol

      因此得出答案:乙裝置中鐵電極上生成的氣體的分子數(shù)為0.2NA;丙裝置中陰極析出銅的質量為0.2 mol×64 g·mol-1=12.8 g。

      在整個分析過程中如果不書寫電極反應式,知道在每個電極上所生成的物質,我們可以直接得出上述關系式,這樣能既省時又準確地得出答案。在電解池中生成哪些物質時能轉移4 mol e-呢?

      其中M表示金屬單質,n表示金屬元素M在化合物中的化合價。

      以后遇到求串聯(lián)電池中某電極質量的變化、電解池中某極產(chǎn)生或原電池中某極消耗標準狀況下氣體的體積(物質的量、分子數(shù))、電解池中原電解質溶液(離子)的濃度時,我們都可以采用得失電子守恒的方法來進行解答,特別是這樣的關系式使用起來是非常方便快捷的。

      方法二:根據(jù)某離子守恒計算

      【例2】用惰性電極電解100 mL 4.0 mol ·L-1的CuSO4溶液,一定時間后在陽極收集到1.12 L(標況下)氣體,向電解后的溶液中加入足量的鐵粉,充分作用后溶液中的Fe2+濃度為(設溶液的體積不變,反應前后均為標準狀況)( )

      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:此電解池中陽極所發(fā)生的反應為2H2O-4e- = O2↑ + 4H+ ,n(O2) = 0.05 mol ,陽極失電子數(shù)為0.2 mol ,陰極所發(fā)生的反應為Cu2+ + 2e- = Cu ,由得失電子數(shù)相等有陰極析出0.1 mol Cu ,即溶液中還剩0.3 mol CuSO4 ,向電解后的溶液中加入足量的鐵粉,應該發(fā)生兩個反應:Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu ,F(xiàn)e + H2SO4 = FeSO4 + H2↑,無論量如何,反應最終生成的都為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 ,答案選C。

      若拋開中間的分析過程,我們只要知道溶液中的溶質最終全部都為FeSO4 ,那即可輕松地把答案選出來。這種方法適用于電解后溶液中某離子的物質的量不變,求出與之相聯(lián)系的某物質或某離子的物質的量(或物質的量濃度)。

      方法三:根據(jù)總反應式計算

      【例3】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0.064g (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( )

      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:由電解總反應式得 ,生成n(Cu) = 0.001 mol ,則生成的n(H2SO4) = 0.001 mol ,n(H+) = 0.002 mol ,c(H+) = 0.004 mol·L-1 ,故選A。

      本題采用此方法比較簡單,很快得出正確答案。此方法多用于電解某鹽溶液后,求生成的H + 或OH- 的濃度、或求溶液的PH值。

      【小結】電化學在高中化學中是比較成系統(tǒng)的內容,以氧化還原反應為基礎,是高考中的熱點及難點,其定量計算一般不單獨考查,常與電池電極的判斷、電極產(chǎn)生的現(xiàn)象、電子或離子移動的方向、電極反應式的書寫、電極附近或溶液pH的變化等知識一起考查電化學的原理,內容比較綜合。計算是在掌握原電池及電解池原理的基礎上才能進行的,要求學生掌握好基礎知識。守恒思想在化學中的應用很廣泛,也很重要。希望以上三種方法對讀者能有所幫助。

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