基于定量視角的電化學(xué)解題策略

>>>張英鋒 于 浩

電化學(xué)一般以陌生且復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化設(shè)備為情境，以原電池、電解池、二次電池(或充放電裝置)為載體，以文字?jǐn)⑹黾訄D片的形式呈現(xiàn)，從電化學(xué)工作原理、電化學(xué)方程式書寫和電化學(xué)定量計(jì)算三個(gè)層面對(duì)電化學(xué)知識(shí)進(jìn)行考查。本文選取離子轉(zhuǎn)移、電極反應(yīng)物和產(chǎn)物判斷及電極反應(yīng)式書寫三個(gè)高頻考點(diǎn)，從定量視角構(gòu)建解題模型。

1.離子定量轉(zhuǎn)移問題

例1.微生物脫鹽電池是一種高效、經(jīng)濟(jì)的能源裝置，利用微生物處理有機(jī)廢水獲得電能，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)海水淡化。現(xiàn)以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用如圖裝置處理有機(jī)廢水（以含CH3COO-的溶液為例）。請(qǐng)判斷選項(xiàng)C是否正確。

C．當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí)，模擬海水理論上除鹽58.5g

【解析】此題中Na+、Cl-并不參與放電，但根據(jù)原電池的工作原理，可判斷出NaCl溶液中的Na+移向正極、Cl-移向負(fù)極。其中移動(dòng)的陰陽離子所帶的電荷與移動(dòng)的電子數(shù)量一致，所以電路中轉(zhuǎn)移1mol電子時(shí)，通過離子交換膜的Na+為1mol、Cl-為1mol，質(zhì)量為1mol×58.5g/mol＝58.5g，即模擬海水理論上除鹽58.5g，故選項(xiàng)C的說法正確。

例2.鈷（Co）的合金材料廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造等領(lǐng)域。如圖為水溶液中電解制備金屬鈷的裝置示意圖。請(qǐng)判斷選項(xiàng)B是否正確。

B．生成1mol Co，Ⅰ室溶液質(zhì)量理論上減少16g

【解析】判斷某一電極區(qū)溶液質(zhì)量的變化，一般計(jì)算氣體逸出或者金屬單質(zhì)、沉淀等固體生成所引起的溶液質(zhì)量變化，但要注意由于離子移動(dòng)而可能引起的質(zhì)量增減。此題中，Ⅰ室實(shí)際為電解水2H2O-4e-＝O2↑+4H+，逸出O2使溶液質(zhì)量減少，但Ⅰ室Ⅱ室之間為陽離子交換膜，在Ⅰ室OH-放電的同時(shí)，產(chǎn)生的H+通過陽離子交換膜也會(huì)導(dǎo)致Ⅰ室溶液質(zhì)量減少。所以計(jì)算時(shí)要注意，電解1molCo，由Co2++2e-＝Co，轉(zhuǎn)移電子數(shù)為2mol，消耗O2為0.5mol，且有2molH+進(jìn)入Ⅱ室，共減少0.5mol×32g/mol+2mol×1g/mol＝18g，故B錯(cuò)誤。

解題思路：（1）書寫電極反應(yīng)式時(shí)，要根據(jù)電極生成物判斷溶液中離子的種類；（2）準(zhǔn)確判斷溶液中各離子移動(dòng)的方向，注意離子交換膜對(duì)離子的選擇；（3）結(jié)合題目中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目，判斷離子移動(dòng)的數(shù)目。

2.電極反應(yīng)物及產(chǎn)物的定量計(jì)算問題

例3.K-O2電池結(jié)構(gòu)如圖，a和b為兩個(gè)電極，其中之一為單質(zhì)鉀片。關(guān)于該電池，請(qǐng)判斷選項(xiàng)D是否正確。

D．用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時(shí)，鉛酸蓄電池消耗0.9g水

【解析】當(dāng)電池給此裝置充電時(shí)，兩裝置中轉(zhuǎn)移電子相同，即根據(jù)電子得失守恒的思想進(jìn)行定量計(jì)算。鉀為原電池的負(fù)極反應(yīng)物，此電池中負(fù)極反應(yīng)為K-e-=K+，鉛酸蓄電池充電時(shí)總反應(yīng)為可知水與電子轉(zhuǎn)移關(guān)系2H2O～2e-，即K～e-～H2O，n（H2O）＝n（K）＝0.1mol，消耗水的質(zhì)量m（H2O）＝nM＝0.1mol×18g/mol＝1.8g，故D錯(cuò)誤。

例4.乙醛酸是一種重要的化工中間體，可采用如圖所示的電化學(xué)裝置合成。圖中雙極膜中間層中的H2O解離為H+和OH-，并在直流電場(chǎng)作用下分別向兩極遷移。請(qǐng)判斷選項(xiàng)C是否正確。

C．制得2mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了1mol電子

【解析】首先分析乙醛酸的來源，其既是陽極區(qū)產(chǎn)物又是陰極區(qū)產(chǎn)物，根據(jù)陽極反應(yīng)可知HOOC-COOH～2e-～HOH2C-CHO，陰極反應(yīng)OHC-CHO～2e-～HOH2C-CHO，當(dāng)制得2mol乙醛酸，根據(jù)兩極電子得失守恒，陰極陽極各產(chǎn)生1mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了2mol電子。故選項(xiàng)C不正確。

解題思路：（1）判斷物質(zhì)是電池哪一電極的反應(yīng)物或生成物；（2）根據(jù)反應(yīng)物和生成物的化合價(jià)變化，找出該物質(zhì)與電子的定量關(guān)系或者直接寫出電極反應(yīng)式；（3）根據(jù)電子定量轉(zhuǎn)移，聯(lián)系兩極反應(yīng)或者兩個(gè)電池裝置進(jìn)行計(jì)算。

3.陌生電池電極反應(yīng)式的定量分析問題

例5.某全固態(tài)薄膜鋰離子電池截面結(jié)構(gòu)如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時(shí)Li+得電子成為L(zhǎng)i嵌入該薄膜材料中；電極B為L(zhǎng)iCoO2薄膜；集流體起導(dǎo)電作用。下列說法正確的是（ ）

C.放電時(shí)，電極B為正極，反應(yīng)可表示為L(zhǎng)i1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2

【解析】先根據(jù)題中信息分析，電極A為非晶硅薄膜，充電時(shí)Li+得電子成為L(zhǎng)i嵌入該薄膜材料中，則電極A為陰極，反應(yīng)物為L(zhǎng)i+和Si，在書寫電極反應(yīng)式時(shí)注意Li元素守恒、電荷守恒，當(dāng)轉(zhuǎn)移x個(gè)電子時(shí)，有x個(gè)Li+參與反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：xLi++xe-+Si＝LixSi；電極B為陽極，反應(yīng)物為L(zhǎng)iCoO2，在電解質(zhì)中移動(dòng)的是Li+，所以電極反應(yīng)式為L(zhǎng)iCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+。電池總反應(yīng)可表示為，D項(xiàng)正確。放電時(shí)電極B為正極，根據(jù)陽極電極反應(yīng)式可知正極的電極反應(yīng)式為L(zhǎng)i1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，C項(xiàng)正確。

解題思路：（1）根據(jù)題中信息找出某一電極反應(yīng)物和生成物；（2）根據(jù)電解質(zhì)判斷在電池中移動(dòng)的離子及移動(dòng)方向；（3）根據(jù)電極反應(yīng)物和生成物的化合價(jià)變化判斷電子得失，加入?yún)⑴c的離子實(shí)現(xiàn)反應(yīng)式的電荷守恒或者元素守恒，正確書寫電極反應(yīng)式；（4）對(duì)于二次電池，陽極反應(yīng)式對(duì)應(yīng)正極反應(yīng)式，陰極反應(yīng)式對(duì)應(yīng)負(fù)極反應(yīng)式；（5）使兩極反應(yīng)式中得失電子數(shù)相等，陰極和陽極反應(yīng)式相加或者負(fù)極和正極反應(yīng)式相加可得到總反應(yīng)式。

電化學(xué)的解題模型從宏觀上，要結(jié)合相關(guān)現(xiàn)象如電流方向判斷電子等微觀粒子的運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行推斷，如氧化性和還原性的強(qiáng)弱、得失電子的先后順序等；微觀上，要從元素守恒、得失電子守恒、電荷守恒等方面，認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)過程中電子、離子及物質(zhì)之間的定量關(guān)系。