電化學(xué)體系中電解質(zhì)溶液變化量的計(jì)算

電化學(xué)體系中電解質(zhì)溶液變化量的計(jì)算是近年高考命題的熱點(diǎn)，此類問(wèn)題綜合考查學(xué)生基于電化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，定量計(jì)算某一區(qū)域內(nèi)電解質(zhì)溶液的質(zhì)量或所含離子的物質(zhì)的量在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的變化，對(duì)學(xué)生的守恒觀念和數(shù)據(jù)處理能力具有一定挑戰(zhàn).本文例析相關(guān)考題，旨在幫助學(xué)生形成較為系統(tǒng)的電解質(zhì)溶液變化量的計(jì)算思維模型.

1非電極區(qū)溶液變化量的計(jì)算

非電極區(qū)溶液是指電化學(xué)體系中不與電極材料直接接觸的溶液，通常由離子交換膜、雙極膜等材料與相鄰的電極區(qū)溶液分隔開(kāi)，如多室電化學(xué)體系的中間隔室.在化學(xué)電源或電解池工作時(shí)，非電極區(qū)溶液中沒(méi)有電極反應(yīng)發(fā)生，但有離子遷出至相鄰溶液，或由相鄰溶液遷入，過(guò)程示意圖如圖1.非電極區(qū)溶液變化量?jī)H與離子遷移有關(guān)，可結(jié)合相鄰電極區(qū)溶液中的電極反應(yīng)，再依托各區(qū)域溶液電荷守恒規(guī)律計(jì)算求得.

例1中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所制備了一種新型鉍基有機(jī)復(fù)合框架（Bi-ZMOF）， 電池用其作電極能提高放電效率，電池結(jié)構(gòu)如圖2所示，雙極膜在直流電場(chǎng)的作用下，將膜復(fù)合層間的 解離成 和 并向兩極遷移.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（ ）.

A.Bi-ZMOF電極電勢(shì)高于鋅片電極電勢(shì)B.放電時(shí)負(fù)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)為

C.理論上每消耗 6 . 5 g 鋅，雙極膜內(nèi)將解離 D.Bi-ZMOF在電池中主要起吸附 、催化 轉(zhuǎn)化為HCOOH的作用

由圖2可知，該電池中鋅片電極為負(fù)極，Bi-ZMOF電極為正極，正極電勢(shì)高于負(fù)極電勢(shì)，選項(xiàng)A說(shuō)法正確.在負(fù)極區(qū) Z n 失去電子并與 反應(yīng)生成 ，電極反應(yīng)式為 Z n - ，選項(xiàng)B說(shuō)法正確.由負(fù)極電極反應(yīng)式可知，每消耗 6 . 5 g 鋅時(shí)，轉(zhuǎn)移 0 . 2 m o l ，消耗 ，生成 0 . 1m o l 為保持溶液電荷守恒，雙極膜內(nèi)應(yīng)解離 生成 并向左遷移至負(fù)極區(qū)溶液，選項(xiàng)C說(shuō)法錯(cuò)誤.Bi-ZMOF電極為正極， 在該極得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成HCOOH，所以Bi-ZMOF在電池中主要起吸附 、催化 轉(zhuǎn)化為HCOOH的作用，選項(xiàng)D說(shuō)法正確.答案為C.

思維建模計(jì)算非電極區(qū)溶液變化量的核心思維模型是當(dāng)電化學(xué)體系工作時(shí)，會(huì)在電極區(qū)溶液中產(chǎn)生或消耗一定量某種離子，同時(shí)也有離子在非電極區(qū)溶液和電極區(qū)溶液之間經(jīng)膜發(fā)生遷移，從而保持各區(qū)域溶液電荷守恒.解題的關(guān)鍵是基于電荷守恒規(guī)律，準(zhǔn)確建立電化學(xué)反應(yīng)帶來(lái)的電極區(qū)離子變化量與非電極區(qū)溶液中離子遷移量的定量關(guān)系，分析過(guò)程及相應(yīng)依據(jù)具體如圖3所示.首先寫(xiě)出電極區(qū)溶液中的電極反應(yīng)式，厘清電極區(qū)溶液在電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的離子變化量，然后根據(jù)隔膜材料性質(zhì)和離子遷移規(guī)律，確定非電極區(qū)溶液的遷入或遷出離子的種類，最后依據(jù)電荷守恒規(guī)律，計(jì)算電極反應(yīng)時(shí)非電極區(qū)的離子遷移量，得出最終結(jié)果.

2電極區(qū)溶液變化量的計(jì)算

電極區(qū)溶液與電極材料直接接觸，區(qū)域內(nèi)有電極反應(yīng)發(fā)生，常見(jiàn)的如電解池中的陽(yáng)極室或陰極室.從圖4可以看出，相比于非電極區(qū)溶液，電極區(qū)溶液變化量不僅與離子遷移有關(guān)，還應(yīng)考慮電極反應(yīng)后從電極材料處進(jìn)入溶液或離開(kāi)溶液的微粒.

例2一種厭氧氨氧化菌生物電解池處理生活含氮廢水的工作原理如圖5所示.下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是.

A.與導(dǎo)電碳布相連的一極為電源的負(fù)極B.反應(yīng)一段時(shí)間后，陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)溶液的pH習(xí)減小

C.理論上每將 處理為 ，陽(yáng)極區(qū)溶液減少 2 8 g （204D.若該電池在高溫下工作，其處理廢水的效率會(huì)下降

根據(jù)圖中物質(zhì)標(biāo)注可知，導(dǎo)電碳布上發(fā)生還原反應(yīng)： 故導(dǎo)電碳布為陰極，與導(dǎo)電碳布相連的一極為電源的負(fù)極，選項(xiàng)A說(shuō)法正確.由圖可知導(dǎo)電碳刷為陽(yáng)極，總反應(yīng)為 ，理論上陽(yáng)極區(qū)每消耗 將生成 ，為保持陽(yáng)極區(qū)溶液電荷守恒，同時(shí)還應(yīng)有 經(jīng)由質(zhì)子交換膜向右遷移至陰極區(qū)，故隨電解反應(yīng)進(jìn)行，陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)溶液中 均增大， p H 均減小，選項(xiàng)B說(shuō)法正確.理論上每將 處理為 ，陽(yáng)極區(qū)溶液減少的質(zhì)量由兩部分構(gòu)成，其一為電極反應(yīng)生成的1 mol 的質(zhì)量，其二為向右遷移至陰極區(qū)的 （2 的質(zhì)量，共計(jì)減少 3 4 g ，選項(xiàng)C說(shuō)法錯(cuò)誤.若該電池在高溫下工作，厭氧氨氧化菌的生物活性將下降甚至失去，其處理廢水的效率會(huì)下降，選項(xiàng)D說(shuō)法正確.答案為C.

思維建模計(jì)算電極區(qū)溶液變化量的核心思維模型是基于溶液電荷守恒規(guī)律和電化學(xué)基本原理，從“電極反應(yīng)改變量”和“電極區(qū)離子遷移量”兩個(gè)方面共同著手分析，如圖6所示.首先依據(jù)試題信息和電化學(xué)基本原理明確電極反應(yīng)式，找到因電極反應(yīng)進(jìn)入溶液的微粒（如消耗的氣體或固體等）、離開(kāi)溶液的微粒（如生成的氣體或沉淀等），然后根據(jù)隔膜材料性質(zhì)、離子遷移規(guī)律和溶液電荷守恒規(guī)律，綜合計(jì)算當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移一定量電子時(shí)，電極反應(yīng)和離子遷移共同帶來(lái)的溶液中微粒質(zhì)量或濃度的實(shí)際變化量.在計(jì)算分析此類問(wèn)題時(shí)，學(xué)生需從溶液中微粒存在的形式和數(shù)目的角度，全面定量分析目標(biāo)溶液在電化學(xué)反應(yīng)前后的微粒變化，由此得出準(zhǔn)確變化量.

3電極區(qū)與非電極區(qū)溶液變化量的共同計(jì)算

在某些多室電化學(xué)體系中，為提高制備效率，技術(shù)人員精心設(shè)計(jì)了電解質(zhì)溶液體系，并選用了相應(yīng)的離子交換膜材料，使得產(chǎn)物可在多個(gè)區(qū)域同時(shí)產(chǎn)生.因而在計(jì)算產(chǎn)量時(shí)，不僅要關(guān)注電極區(qū)溶液中微粒的變化量，還要考慮非電極區(qū)溶液中微粒的變化量.

一例3已知在直流電源作用下，雙極膜中間層中的 解離為 和 .技術(shù)人員利用雙極膜（膜c、膜d）和離子交換膜高效制備 和 Δ N a O H ，原理如圖7所示.當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移 2 m o l 電子時(shí)，整套裝置制得 的物質(zhì)的量為 mol.

該電解池體系可用于制備 和Δ N a O H ，故電極N應(yīng)為陽(yáng)極，電極反應(yīng)式為 ，膜f應(yīng)采用陰離子交換膜， ④ 中 經(jīng)由膜f向右遷移至電極區(qū)N，與電極反應(yīng)產(chǎn)物 共同組成 .此外，為體現(xiàn)制備過(guò)程的高效性，膜b應(yīng)使用陰離子交換膜， ① 中 經(jīng)由膜b也向右遷移，與來(lái)自雙極膜中間層的 在 ② 中共同制得 .當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移 2 m o l 電子時(shí)，整套裝置制得 的物質(zhì)的量計(jì)算過(guò)程如下：

電極區(qū)N：電極反應(yīng)生成 ，為使溶液電荷守恒，還有 經(jīng)由膜f向右遷移，在電極區(qū)N生成 1m o l （204號(hào) .非電極區(qū) ② ：由電荷守恒規(guī)律可知，有 經(jīng)由膜b向右遷移，同時(shí)有 由雙極膜中間層向左遷移，在非電極區(qū) ② 生成1mol .故當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移 電子時(shí)，制得 的物質(zhì)的量共計(jì)為 2 m o l ：

思維建模針對(duì)多個(gè)區(qū)域電解質(zhì)溶液中同時(shí)產(chǎn)生某一產(chǎn)物的計(jì)算問(wèn)題，可分別利用電極區(qū)溶液變化量和非電極區(qū)溶液變化量的計(jì)算思維模型，逐一分析不同區(qū)域溶液在一定量電子轉(zhuǎn)移時(shí)的離子遷移量和電極反應(yīng)改變量，將各處計(jì)算結(jié)果加和后得出最終結(jié)論.

在分析電化學(xué)體系中各區(qū)域電解質(zhì)溶液變化量時(shí)，學(xué)生不僅要關(guān)注電極反應(yīng)對(duì)各區(qū)域溶液微粒組成的影響，還要從離子遷移的角度定量分析溶液中的微粒變化，比一般電極產(chǎn)物產(chǎn)量或電極質(zhì)量增減的計(jì)算問(wèn)題更加復(fù)雜.借助圖3和圖6的思維模型可促進(jìn)學(xué)生深刻領(lǐng)悟此類問(wèn)題的微觀本質(zhì)特點(diǎn)，無(wú)論分析哪一區(qū)域電解質(zhì)溶液的變化量，實(shí)際都是基于對(duì)電極反應(yīng)式和離子遷移情況的定量分析，由此可盡快明確計(jì)算電解質(zhì)溶液變化量的切入點(diǎn)并得出準(zhǔn)確結(jié)果.

鏈接練習(xí)

1.一種微生物電池?zé)o害化處理有機(jī)廢水的原理如圖8所示，廢水中含有的有機(jī)物用 表示.理論上當(dāng)M極產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下 時(shí)， I 區(qū)溶液減少的質(zhì)量為 g.

2.已知雙極膜為復(fù)合膜，可在直流電的作用下將膜間的 解離，提供 和 .利用雙極膜電解 溶液制備Δ N a O H ，原理如圖9所示.下列說(shuō)法正確的是（ ）.

A.陰極反應(yīng)式 B.I為陰離子交換膜， I 為陽(yáng)離子交換膜C.電路中轉(zhuǎn)移 2 m o l 電子時(shí)，整套裝置將制得4molNaOHD.電路中轉(zhuǎn)移 1 m o l 電子時(shí)，離子交換膜Ⅱ與雙極膜之間的隔室能生成

鏈接練習(xí)參考答案

1.58.5.2.C.

（完）

高中 數(shù)理化 71