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1、z x s td c 一、正确判断电极,正确书写电极 反应式, 是解决电化学问题的核心 例1工业品氢氧化钾溶液中含有 某些含氧酸根杂质, 可利用离子交换膜 法电解提纯。 其工作原理如图1所示。 该电解槽的阳极反应式是 ; 通电开始后,阴极附近溶液p H 会增大, 请简述原因:; 除去杂质后的氢氧化钾溶液从液 体出口导出。(填写 “A” 或 “B” ) 解析:该题所设三问中, 后两问是第 一问有关 “电极反应式书写” 的自然延伸。 由于在阳极区存在的阴离子主要是O H -和某些含氧酸根,而在水溶液中 含氧酸根放电较难, 因此阳极反应式为4 O H - 4 e-= 2 H2O + O2; 阴极区的
2、阳离子主要是K +和水中的H+ , 因此阴极反应式为2 H + + 2 e -= H2。 随着H +的放电, 促进水的电离, 阴极区的 c(O H - ) 增大; 随着电解的进行, 阴极区c(O H - ) 增大, 阳极区c(H + ) 增大, 故由电荷守恒 原理可知, 两极区间必有离子交换。 而电解槽内装有的阳离子交换膜只允许阳离 子通过, 又因为阳极区本身添加了K O H, 故c(H + ) 不可能大增, 所以可供大量交 换的阳离子只可能是K +, 且向阴极区迁移, 因此氢氧化钾溶液从出口 B导出。 例2一种新型的燃料电池, 一极通入空气, 另一极通入丁烷气体。 电解质是 掺杂氧化钇 (Y
3、2O3) 的氧化锆 (Z r O2) 晶体, 在熔融状态下能传导O 2 -。 下列关于该燃 料电池的说法中正确的是 A .在熔融电解质中,O 2 -由负极移向正极 理 综 图1 工业品 K O H溶液 H2O( 含 少量K O H ) 阳离子 交换膜 BA -+ 抓 住 核 心 问 题 理 顺 解 题 思 路 漫 谈 电 化 学 问 题 解 题 策 略 浙江大学附属中学王法高 4 9 z x s td c B .电池的总反应是2 C4H1 0+ 1 3 O28 C O2+ 1 0 H2O C .通入空气的一极是正极, 电极反应为O2+ 4 e - 2 O 2 - D .通入丁烷的一极是正极,
4、电极反应为C4H1 0+ 2 6 e -+ 1 3 O2 - 4 C O2+ 5 H2O 解析:在电极产物不与电解液直接反应的情况下,燃料电池的总反应式和 燃烧反应式相同, 所以B正确。 C、D选项均是直接考查原电池电极的判断以及电极反应式的书写。 在确定了 B选项原电池总反应式正确的情况下, 根据在总反应中 “还原剂失电子负极 反应物; 氧化剂得电子正极反应物” 这一基本关系, 很容易确定C选项正确。 有关电解质中离子迁移方向的判断, 首先应考虑的因素是该离子的浓度, 其 次考虑电解质中正负电荷的平衡。 对于本题, 由于正极产生O 2 -, 故正极区 c(O 2 -) 增大,O 2 -向外迁
5、出; 负极消耗 O 2 -, 故负极区 c(O 2 - ) 减小,O 2 -由外迁入。 故 A选项 错误。 二、分析电极反应式的几个实用思路 1 .从总反应式出发分析电极反应式 例3铅蓄电池是典型的可充型电池, 它的正负极格板是惰性材料, 电池总 反应式为P b + P b O 2+ 4 H + 2 2 - S O 4 放 充 2 P b S O4+ 2 H2O。 请回答下列问题 (不考虑氢、 氧的氧化还原) : (1)放电时正极的电极反应式是; 电解液中H2S O4的浓度将变 ; 当外电路通过1 m o l的电子时, 理论上负极格板的质量将增加 g; (2)当完全放电耗尽P b O2和P b
6、时,若按图2连 接, 电解一段时间后, 则将在A电极上生成, B电极上生成, 此时铅蓄电池的正负极的 极性将。 解析: (1)从原电池总反应式出发书写电极反应式, 要注意两点:还原剂为负极反应物, 氧化剂为正极反 应物;书写过程遵循氧化还原离子反应式书写的基 本原则和思路。 本题书写正极反应式的一般过程为: 根据电荷守恒原理, 利用酸性电解质溶液中的H +, 平衡左边多出的 4个负电荷 P b O2+ 2 - S O 4+ 2 e -+ 4 H+= P b S O4+ 2 H2O 找出氧化剂和还原产物P b O 2 P b S O4 注明电子得失数和形成还原产物的离子P b O 2+ 2 -
7、S O 4+ 2 e - P b S O4 理 综 图2 外电源 BA 3 0 % H2S O4 -+ 5 0 z x s td c 理 综 + 4 O H - - 3 e - M g A l N a O H溶液 同理, 负极的电极反应式是P b + 2 - S O 4- 2 e -= P b S O4。 从电极反应式或总反应 式中都可看出, 反应过程中需消耗H2S O 4, 所以电解液中H2S O4的浓度将变小。 根据负极电极反应式可以对负极格板增重的质量进行计算: 2 e - m (P bP b S O4) 2 m o l 9 6 g 1 m o l 4 8 g 所以当外电路通过1 m o
8、 l电子时, 负极格板增加的质量为4 8 g。 (2)根据题设条件可知, 装置为电解池, 且A为阴极,B为阳极。 由于电极格 板都是惰性材料, 所以当原电池反应完全放电, 耗尽P b O 2和P b时, 在A、B两极 惰性材料外面都包裹着P b S O 4。因此由电极放电基本规律可知,A、B两极均为 P b S O4放电。 又因为阴极A得电子, 阳极B失电子, 所以结合总反应式 (从右向左 进行) 可知, 阴极A的变化为P b S O 4 P b, 阳极B的变化为:P b S O4P b O2, 即在 A电极上生成P b,B电极上生成P b O2, 此时铅蓄电池的正负极性将反转。 2 .由原电
9、池装置的构成判断电极, 并书写电极反应式 (1)电极材料能直接和电解质溶液反应的原电池 (即总反应为负极材料和电 解质溶液中的成分所发生的反应) 例4下列关于图3所示装置的说法正确的是 A .外电路中无电流通过 B .外电路中电流方向是A lM g C . M g是负极, 电极反应式为M g - 2 e -= M g 2 + D . A l是负极, 电极反应式为A l + 4 O H - 3 e-= A l-O 2+ 2 H2O 解析:该问题主要考查原电池的构成条件、 电极判断 和电极反应式的书写。 原电池的构成条件有三点: 电极、 电解质溶液和闭合回路。 显然图示装置符 合这三点基本条件,
10、会有电流流通, 故A选项错误。 对于电极材料可以直接和电解质溶液反应的原电池装置, 可以通过比较电极 材料与电解质溶液发生反应的难易程度来确定负极。显然A l较Mg更容易和 N a O H溶液反应, 故A l为负极, 所以C选项错误,B选项正确。 对于负极材料直接和电解质溶液反应的原电池的电极反应式,通常可以从 两个不同的起点着手分析:以负极材料失电子为起点。 值得注意的是, 若电极 反应产物能和电解质溶液进一步反应, 则该步反应也应纳入电极反应式一并书 写, 即:A lA l 3 + A l-O 2。 完成这一起点分析后, 可根据离子方程式书写的 基本规则完成电极反应式的书写, 即由A l
11、- 3 e - A l-O 2得出A l - 3 e - + 4 O H - A l-O 2+ 图3 5 1 z x s td c 2 H 2O。 也可以先写出总反应离子方程式, 再如例3的解析 (1) 所示完成电极反 应式的书写, 故D选项正确。 因此正确答案为:B、D。 (2)电极材料不能直接和电解质溶液反应的原电池 例5已知甲烷燃料电池如图4所示。 判断A、B极的电极名称, 并写出电极反应式。 解析:由于P t电极材料本身不和电解 质溶液发生反应, 因此可以从气体间发生的 总反应入手考虑, 同时也要注意电极产物与 电解质溶液之间的进一步反应: C H4+ 2 O2C O2+ 2 H2O
12、+)C O2+ 2 O H - C 2 - O 3+ H2O C H4+ 2 O2+ 2 O H - C 2 - O 3+ 3 H2O 至此, 一个针对实际原电池装置设置的问题就被抽象成了一个 “根据总反 应式判断电极、 书写电极反应式” 的问题了。 后续问题的解决策略如例3的解析 (1) 所示:C H4是还原剂A电极是负极;O2是氧化剂B电极是正极。 负极反应式:C H4+ 1 0 O H - 8 e- C 2 - O3+ 7 H2O。 同理分析, 或由总反应式与负极 反应式相减都可得到正极反应式:2 O2+ 8 e -+ 4 H 2O 8 O H -。 3 .在书写电解池电极反应式时, 应
13、注意区分阳极的电极材料, 明确惰性电极 和活性电极的区别 例6电解原理在化学工业中有广泛的应用。 图5表示一个电解池, 装有电 解液a。X、Y是两块电极板, 通过导线与直流电源相连。 请回答以下问题: (1)若X、Y都是惰性电极,a是饱和N a C l溶液。 当实验开始时, 同时在两边各滴入几滴酚酞试液, 则 电解池中X极上的电极反应式为, 在 X极附近观察到的现象是; Y电极上的电极反应式为, 检验该电极 反应产物的方法是; (2)如要用电解方法精炼粗铜, 电解液a选用C u S O4 溶液, 则 X电极的材料是, 电极反应式是; Y电极的材料是, 电极反应式是。 (注: 杂质发生的电极反应
14、不必写出) 解析: (1)本题有关惰性电极反应式的书写相对较为简单, 但 Y电极产生 图4 理 综 K O H溶液 B电极A电极 C H4 O2 P t P t A 图5 a A X Y -+ 5 2 z x s td c 图6 理 综 搅棒 石 墨 电 极 石 墨 电 极 -+ 气体的检验比较容易出错, 其中又以试剂选择和操作方法表述方面的失误居多。 参考答案: (1) 2 H + + 2 e -= H 2 放出气体, 溶液变红 2 C l - - 2 e -= C l 2 把湿润的碘化钾淀粉试纸放在Y电极附近, 试纸变蓝色 (2)纯铜C u 2 + 2 e-= C u 粗铜C u - 2
15、e -= C u 2 + 4 .经典实例 例7在玻璃圆筒中盛有两种无色的互不相溶的中性液体。 在上层液体中 插入两根石墨电极, 圆筒内还放有一根下端弯成环状的玻璃搅棒, 可以上下搅动 液体, 装置如图6所示。 接通电源后, 阳极周围的液体呈棕色, 且颜色由浅变深, 阴极上有气泡生成。 停止通电后取出电极, 再用搅棒上 下剧烈搅动, 静置后液体又分成两层, 下层液体呈紫红 色, 上层液体几乎无色。 根据上述实验回答: (1)阳极上的电极反应式为; (2)阴极上的电极反应式为; (3)原上层液体是; (4)原下层液体是; (5)搅拌后两层液体颜色发生变化的原因是; (6)要检验上层液体中含有的金属
16、离子, 其方法是, 现象是。 解析:题中没有直接给出电解质溶液的成分, 也没有给出电池的总反应式, 却详细地说明了电解过程的实验现象, 是一道从实验现象推测反应原理的开放性试 题。 这类问题一般可先依据经验进行大胆地假设, 然后再加以仔细地论证解答。 其 中又通常以 “熟知优先” 作为提出假设的基本原则, 这就需要同学们在平时注意 积累典型实例, 丰富自己的经验, 为能够提出合理的假设打好基础。 根据中学阶段已有的实验经验, 最熟悉的 “下层液体呈紫红色” 的实例是 “I 2 溶解在C C l 4中” 。 若假设下层液体为C C l4, 又因为中学阶段最熟悉的阳极产生I2 的反应是水溶液中I -的放电反应, 所以上层液体可假设为水。 在做出如此假设之 后, 再仔细与题设条件以及问题进行对比分析, 最后确定答案。 参考答案: (1)2 I - 2 e-= I 2 (2)2 H + 2 e-= H 2 (3)K I(或N a I等) 水溶液 (4)C C l 4(或C H C l3等) (5)I 2在C C
