電化學(xué)中的定量計算

王芳

電化學(xué)知識是高中無機化學(xué)理論的重要組成部分，也是近年高考必考的內(nèi)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(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)中的定量計算成為初學(xué)者的難點，所以將其總結(jié)以便學(xué)生將其掌握。進行計算的前提是牢固掌握電化學(xué)的基礎(chǔ)知識，再結(jié)合相應(yīng)的方法做題時才能得心應(yīng)手。

進行電解計算時，首先要分析電解質(zhì)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(jié)合具體題目的情境，選擇合適的方法進行計算。現(xiàn)將計算方法總結(jié)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(xué)設(shè)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(guān)問題：

若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，有2.24 L氧氣參加反應(yīng)，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(zhì)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(yīng)為O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-。乙中鐵電極陰極，飽和氯化鈉作為電解質(zhì)溶液，所發(fā)生的反應(yīng)為2H+ + 2e- = H2↑。丙裝置中陰極所發(fā)生的反應(yīng)為Cu2+ + 2e- = Cu 。參與反應(yīng)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(zhì)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(yīng)式，知道在每個電極上所生成的物質(zhì)，我們可以直接得出上述關(guān)系式，這樣能既省時又準(zhǔn)確地得出答案。在電解池中生成哪些物質(zhì)時能轉(zhuǎn)移4 mol e-呢？

其中M表示金屬單質(zhì)，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(zhì)量的變化、電解池中某極產(chǎn)生或原電池中某極消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體的體積（物質(zhì)的量、分子數(shù)）、電解池中原電解質(zhì)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(guān)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(biāo)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(shè)溶液的體積不變，反應(yīng)前后均為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)該發(fā)生兩個反應(yīng)：Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu ，F(xiàn)e + H2SO4 = FeSO4 + H2↑，無論量如何，反應(yīng)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(zhì)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(zhì)的量不變，求出與之相聯(lián)系的某物質(zhì)或某離子的物質(zhì)的量（或物質(zhì)的量濃度）。

方法三：根據(jù)總反應(yīng)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(shè)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(yīng)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(jié)】電化學(xué)在高中化學(xué)中是比較成系統(tǒng)的內(nèi)容，以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)，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(yīng)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(xué)的原理，內(nèi)容比較綜合。計算是在掌握原電池及電解池原理的基礎(chǔ)上才能進行的，要求學(xué)生掌握好基礎(chǔ)知識。守恒思想在化學(xué)中的應(yīng)用很廣泛，也很重要。希望以上三種方法對讀者能有所幫助。