追根溯源解析電化學

■北京市十一學校 周逸清(博士)

追根溯源解析電化學

■北京市十一學校 周逸清(博士)

電化學是將化學現象和電現象關聯起來的重要化學分支科學。電化學是對于微粒行為分析的進一步延續,重點分析溶液中離子得失電子以及移動方向的行為。該部分高考命題方向主要包括：電極反應的書寫、離子的濃度改變、電子得失守恒相關的計算等。這一部分高考題命題素材較為新穎,多為最新的科研成果,但是又貼近生活,與人們的生活息息相關。由于電化學考查的知識點較為集中,現在高考命題中很少單獨成一道大題的,一般都出現在大題的后半部分,作為考查知識的延伸、拓展,而且一般有較高區分度。我們精心設計了電化學中電解以及原電池的題,幫助大家對于電化學中的知識點有更好的理解。

例1若用氫氧化鈉溶液做電解質,可制取有廣泛用途的Na2FeO4,同時獲得氫氣。工作原理如圖1所示。裝置通電后,鐵電極附近生成紫紅色的,鎳電極有氣泡產生。若溶液堿性過強,鐵電極區會產生紅褐色固體。已知：Na2FeO4只在強堿性條件下穩定,易被H2還原。

圖1

圖2

(1)電解一段時間后,c(OH-)升高的區域在____(填“陰極室”或“陽極室”)。鐵電極的電極反應式為____。

(2)電解過程中,須將陰極產生的氣體及時排出,其原因是____。

(3)用同一裝置、在相同的電流密度下電解相同的時間,c(Na2FeO4)隨初始c(NaOH)的變化如上圖2所示,分析N點c(Na2FeO4)和M點c(Na2FeO4)低于最高值的可能原因：___。

解析：(1)根據題意,在鎳電極產生氣泡,是因為氫離子放電生成氫氣,進一步促進了水的電離平衡正向移動,H2OH++OH-,故而c(OH-)升高的區域在陰極室。對于鐵電極的電極反應式的書寫,由題干可知Fe轉化為,首先配得失電子,Fe的化合價升高6,失去6個電子,Fe-6e-══;其次,配平電荷守恒,左邊帶有六個正電荷,右邊帶有兩個負電荷,可以通過左邊補OH-或者右邊補H+來配平電荷,根據溶液的堿性環境在左邊補齊8個OH-,最后配原子守恒,一般是配水,右邊配4個H2O,電極反應就書寫完成,Fe+8OH--6e-══

(2)首先分析出陰極氣體是氫氣,進而分析氫氣的性質主要體現還原性,根據題意Na2FeO4只在堿性條件下穩定,易被H2還原,電解過程中,須將氫氣及時排出,防止Na2FeO4與H2反應導致產率降低。

(3)根據題意Na2FeO4只在強堿性條件下穩定,在M點,c(OH-)較低,Na2FeO4的穩定性較差,且反應慢,故而c(Na2FeO4)較低;在N點,c(OH-)較高,根據題意“溶液堿性過強,鐵電極區會產生紅褐色固體”,此時出現了副產物Fe(OH)3,故而產率降低,c(Na2FeO4)也會降低。

答案：(1)陰極室Fe+8OH--6e-══

(2)防止Na2FeO4與H2反應導致產率降低

(3)在M點,c(OH-)較低,Na2FeO4的穩定性較差,且反應慢,故而c(Na2FeO4)較低;在N點,c(OH-)過高,出現了副產物Fe(OH)3,故而產率降低,c(Na2FeO4)也會降低

例2(1)鐵是用途最廣的金屬材料之一,但生鐵易生銹。請討論電化學實驗中有關鐵的性質。

①某原電池裝置如圖3所示,圖3右側燒杯中的電極反應式為____,左側燒杯中的c(Cl-)________(填“增大”“減小”或“不變”)。

②已知圖4甲、乙兩池的總反應式均為Fe+H2SO4══FeSO4+H2↑,且在同側電極(指均在“左電極”或“右電極”)產生H2。請在兩池上標出電極材料(填“Fe”或“C”)。

圖4

(2)用高鐵(Ⅵ)酸鹽設計的高鐵(Ⅵ)電池是一種新型可充電電池,電解質溶液為KOH溶液,放電時的總反應為3Zn+2K2FeO4+8H2O══3Zn(OH)2+2Fe(OH)3+4 KOH。

①寫出正極反應式：___。

②用高鐵(Ⅵ)電池作電源,以Fe作陽極,以Cu作陰極,對足量KOH溶液進行電解,當電池中有0.2molK2FeO4反應時,則在電解池中生成(標準狀況)。

解析：(1)①該裝置為原電池裝置,左側鐵為負極,右側有正極,右側H+得電子轉化為H2,故而電極反應式為2H++2e-══H2↑。左側的電極反應中生成Fe2+,故而溶液中陽離子變多,陰離子需要進入左側溶液平衡電荷,故而c(Cl-)增大。

②Fe和H2SO4之間的反應,如果設計電解池實驗,金屬鐵作陽極,陽極反應為Fe-2e-══Fe2+,電解質為硫酸,陰極是氫離子放電,電極反應為2H++2e-══H2↑,即陽極為鐵,陰極為C;如果設計原電池實驗,金屬鐵作負極,負極反應為Fe-2e-══Fe2+,電解質為硫酸,正極是氫離子放電,電極反應為2H++2e-══H2↑,即負極為鐵,正極為C。

②利用電子轉移守恒來計算,每生成0.2molK2FeO4轉移電子0.6 mol,故而H2應生成0.3mol,體積為6.72L。

答案：(1)①2H++2e-══H2↑ 增大

②甲：左邊為Fe,右邊為C;乙：左邊為Fe,右邊為C。

②6.72

跟蹤練習：將NO2轉化為N2O4,可用于電解制備綠色硝化試劑N2O5。圖5是其原理示意圖。

圖5

①陽極電解液中的N2O4由NO2降溫轉化得到,降溫的原因是____。

②陽極區生成N2O5的電極反應式是____。

③陰極區得到一種可循環利用的物質,其化學式是____。

答案0,降溫平衡右移,有利于NO2轉化為N2O4

②N2O4-2e-+2HNO3══2N2O5+2H+

③N2O4(或NO2)

點評：電化學的核心知識點其實就是電極反應的書寫,有些題不直接問你電極反應,只有當你把電極反應書寫出來后才能作答。因此,在后續的學習中,要多對溶液中的微粒的氧化還原性進行分析,才能更快捷地書寫出電極反應式。此外,對于陌生元素也不必畏懼,只需要根據你學過的書寫電極反應的步驟即可完成。化學的學習要通過邏輯和分析完成,這樣才能事半功倍。

(責任編輯 謝啟剛)

周逸清,畢業于清華大學,博士,海淀區兼職教研員,海淀區新教師培訓優秀學員,多次承擔市級、區級公開課,輔導多名學生考入北京大學、清華大學,在國際、國內期刊發表高水平文章二十余篇。