新型電化學(xué)裝置解題策略研究

新型電化學(xué)裝置是科學(xué)家近年研究的重點之一，也是高考的必考考點.該類試題題材廣、情境新、陌生度高，裝置圖的呈現(xiàn)形式靈活多變，因此學(xué)生感覺試題難度大.本文結(jié)合實例，對該類題型加以總結(jié)，

1濃差電池

濃差電池是利用兩側(cè)半電池中電解質(zhì)溶液的濃度不同而產(chǎn)生電勢的一種裝置.解題關(guān)鍵是抓住電解質(zhì)溶液中不參與電極反應(yīng)的離子從“高濃度”區(qū)移向“低濃度”區(qū)，從而判斷出濃差電池的正、負(fù)極.

例1 某濃差電池的工作原理如圖1所示.下列敘述正確的是（ ）.

圖1

A.電極Y為負(fù)極

B.離子交換膜為陰離子交換膜

C.右池中的電極反應(yīng)式為 Ag-e^-+Cl^-=AgCl

D.電路中轉(zhuǎn)移 時，左池減少了0.2mol 離子

Cl^- 參加電極反應(yīng)，左池 K⁺ 濃度大，所以 K⁺ 要向右池移動，故離子交換膜為陽離子交換膜，右池為正極池，左池為負(fù)極池，選項A、B錯誤.左池發(fā)生的電極反應(yīng)為 Ag-e^-+Cl^-=AgCl ，右池發(fā)生的電極反應(yīng)為 AgCl+e^-=Ag+Cl^- ，選項C錯誤.電路中轉(zhuǎn)移 時，左池中 0.1molCl^- 參與電極反應(yīng)， 0.1molK⁺ 移向右池，共減少 0.2mol 離子，選項D正確.答案為D.

2 鋰離子電池

鋰離子電池是指以 Li⁺ 嵌入的化合物為正極材料的電池總稱.解決鋰離子電池的關(guān)鍵是判斷 Li⁺ 是從電極材料提供的“空間\"中“嵌入\"還是“脫嵌”放電時， Li⁺ 從負(fù)極材料中脫嵌移向正極，嵌入正極材料中；充電時，Li⁺ 從陽極材料中脫嵌移向陰極，嵌入陰極材料中.

例2 一種石墨烯電池的總反應(yīng)為 Li_1-xCoO₂+ ，其工作原理如圖2所示，下列敘述錯誤的是（ ）.

圖2

A.該電池可選用陽離子交換膜作隔膜B.充電時，陽極的電極反應(yīng)為 LiCoO₂-xe^-= xLi⁺+Li_1-xCoO₂ C.放電時，電路中轉(zhuǎn)移 ， LiCoO₂ 電極質(zhì)量增加 7x gD.對廢舊的該電池進(jìn)行“放電處理”，有利于回收鋰

由圖2可知，該電池充放電時， Li⁺ 發(fā)生定向移動，故可選用陽離子交換膜作隔膜，選項A敘述正確.充電時， LiCoO₂ 為陽極，電極反應(yīng)為LiCoO₂-xe^-=xLi⁺+Li_1-xCoO₂ ，選項B敘述正確.放電時， LiCoO₂ 為正極，電路中轉(zhuǎn)移 1mole^- ，有1molLi⁺ 從石墨烯中脫嵌，嵌入 LiCoO₂ ， LiCoO₂ 電極質(zhì)量增加 7g ，選項C敘述錯誤.放電時， Li⁺ 從石墨烯中脫出有利于回收，選項D敘述正確.答案為C.

3物質(zhì)循環(huán)轉(zhuǎn)化型電池

解答此類電池相關(guān)題的關(guān)鍵是要利用好物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系，思維模式如下：1）判斷裝置類型.根據(jù)有無外加電源，判斷是電解池還是原電池.2）找準(zhǔn)循環(huán)物質(zhì)根據(jù)循環(huán)物質(zhì)中元素化合價的變化，判斷裝置的正、負(fù)極或陰、陽極.3）寫出電極反應(yīng).根據(jù)電極類型和題干信息書寫電極反應(yīng).4）逐項分析得出正確答案.

例3Zn-Fe液流蓄電池可作為風(fēng)能、太陽能在發(fā)電過程中非穩(wěn)態(tài)的電力輸出時的補(bǔ)充，圖3是它的結(jié)構(gòu)和工作原理.下列說法正確的是（ ）.

圖3

A.離子交換膜為陰離子交換膜

B.充電時，電極B接電源負(fù)極

C.充電時，陰極電極反應(yīng)為[ZnBr₄]^2-+2e^-=Zn+4Br^-

D.放電時，正極區(qū)、負(fù)極區(qū)離子濃度均減小

由圖3可知，放電時，電極A為負(fù)極，電極反應(yīng)式為 Zn⁺4Br^--2e^-=[ZnBr₄]^2- .電極B為正極，電極反應(yīng)式為 [Fe（CN）₆]^4- .充電時，電極B接電源正極，作電解池的陽極，選項B錯誤.由電極反應(yīng)知，負(fù)極區(qū)負(fù)電荷減少，正極區(qū)負(fù)電荷增多，故 K⁺ 由負(fù)極區(qū)通過離子交換膜移向正極區(qū)，負(fù)極區(qū)離子濃度減小，正極區(qū)離子濃度增大，選項A、D錯誤.充電時，陰極的電極反應(yīng)式是放電時負(fù)極的逆反應(yīng)，選項C正確.答案為C.

4含隔膜型

分析含隔膜的電化學(xué)裝置的思維路徑如下.1）看清隔膜的類型.隔膜的類型決定了能通過的離子，如陽離子交換膜不允許陰離子通過，雙極膜中解離出的H⁺ 和 OH^- 分別向兩側(cè)移動.2）寫出電極反應(yīng)式，根據(jù)隔膜的類型判斷出隔膜兩側(cè)離子的變化，選擇合適的微粒進(jìn)行配平.3）分析隔膜的作用，若屬于物質(zhì)制備類，則隔膜的主要作用是提高產(chǎn)品純度，避免副反應(yīng)的發(fā)生.

例4 一種利用膜技術(shù)高效制備NaOH和H₂SO₄ 的工作原理如圖4所示.膜a、膜b、膜e、膜f為離子交換膜，膜c、膜d為雙極膜，雙極膜中間層中的 H₂O 在直流電源作用下解離為 H⁺ 和 OH^- .下列說法錯誤的是（ ）.

圖4

A.N極的電勢比M極的電勢高B.膜a、膜e為陽離子交換膜，膜d輸出 OH^- C.N極的電極反應(yīng)式為 2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺ D.當(dāng)電路中通過 1mole^- 時，整套裝置可以制備出 1molNaOH

裝置中電極反應(yīng)和離子遷移情況如圖5所示（ ① 為陰極： 2H₂O+2e^-=2OH^-+H₂↑ ② 為陽極： 2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑）

圖5

由圖5分析可知，選項B、C說法正確.M極為陰極，N極為陽極，則電勢：N電極 gt;M 電極，選項A說法正確.當(dāng)電路中通過 時，M極生成 1mol NaOH，同時在膜d和膜e之間的區(qū)域生成 1mol NaOH，故整套裝置可以制備出 2molNaOH ，選項D說法錯誤.答案為D.

新型電化學(xué)裝置通常以學(xué)術(shù)探索情境為載體考查電化學(xué)主干知識，學(xué)生應(yīng)注重結(jié)合氧化還原反應(yīng)基本原理，加強(qiáng)對電極反應(yīng)方程式書寫的練習(xí)，對離子移動方向、離子濃度變化等微觀過程的分析.

（完）