2023年高中化學競賽-電化學

電化學胡征善電化學是電與化學準確地說是電子與氧化復原反響的結晶。氧化復原反響有電子的轉移而產(chǎn)生電——電池，電能使某些化學物種有電子得失而發(fā)生氧化復原反響——電解。原電池必需ΔG<0電解、利用光能可使ΔG>0被迫發(fā)生能量轉化

強者優(yōu)先1、概念

負陽氧，正陰還內離移，外電流

電極反響與離子方程式電解質溶〔熔〕液應用1、型化學電源的開發(fā)2、物質制備(合成)的方法3、環(huán)境化學(廢氣、廢液的處理)4、金屬的電化腐蝕與電化防腐

1.離子遷移〔鹽橋與交換膜〕2.n(離子)、V(aq)、pH變化離子可在多孔的固體中定向移動電化學包括電池和電解。電池即在兩電極上自發(fā)發(fā)生氧化反響和復原反響而產(chǎn)生電流電動勢>0和復原反響。e—e—IA負極〔—〕——電位低發(fā)生氧化反響活潑的金屬——電極失電子而溶解燃料——燃料失電子燃料電池的電極可以一樣，但要求電極多孔()——吸附能力強；具有催化作用正極〔+〕——電位高發(fā)生復原反響1．①較不活潑的金屬、石墨——導體②氧化性較強的難溶性氧PbO2、Ag2O或Ag2O2NiO(OH)——電極本身得電子2．氧化性氣體[如氧氣(空氣)、氯氣等]——氧化性氣體得電子、電解質溶(熔)液e— e—

電池的電動勢大于電解質溶(熔)液的分解電壓，電解才能得以實現(xiàn)e— e—陰極——接電池的負極〔多電子的電極〕發(fā)生復原反響金屬或石墨——導體氧化性材料——得電子

電解質溶(熔)液

陽極——接電池的正極〔缺電子的電極〕發(fā)生氧化反響惰性電極(Au、Pt、石墨)——導體。溶(熔)液中陰離子失電子2．活潑電極電極本身失電子溶解外電路的電子流淌與電解質溶(熔)液中離子遷移的關系：例如：通過溶液每一截面:n(H+)+n(Cl—)=xmol 2n(Cu2+)+n(Cl—)=xmol假設有陰或陽離子交換膜：一、電池(化學電源)電池(化學電源)有多種不同的分類。如：一次電池和二次電池；酸性電池、堿性電池和有機電解液電池；熔鹽電池、燃料電池、濃差電池等。中學化學已學過一次電池、二次電池、燃料電池等，這里不再贅述。下面說說濃差電池。濃差電池有兩大類型：電解質溶液濃度差和兩電極上氣體壓強差。1.濃差電池例如：(a)CuCuCl2(c1) CuCl2(c2)Cu(b) c1>c2 為陰離子交換膜b為負極：Cu—2e—=Cu2+ a為正極：Cu2++2e—=CuCl—通過交換膜從左池遷移至右池，最終兩池CuCl2溶液濃度一樣。總過程為：Cu2+(c1) Cu2+(c2)又如：(0.2MPaCl2)Pt(a) HCl(aq) (b)Pt(0.1MPaCl2)Pt極為正極：Cl2+2e—=2Cl— (b)Pt極為負極：2Cl——2e—=Cl2總過程為：Cl2(p1) Cl2(p2) p1>p2Cl2H2，則：(a)Pt極為負極：H2—2e—=2H+ (b)Pt極為正極：2H——2e—=H2總過程為：H2(p1) H2(p2) p1>p2總之，濃差電池是同一電解質溶液濃度大或電極上同一氣體壓強大的自發(fā)地向濃度小或壓強小的方向集中。利用濃差電池工作原理可研發(fā)海水濃差電池。型化學電源：固態(tài)鋰電池(固體電解質代替有機電解液)、石墨烯基-鋰離子電池(具有充電快蓄電量大的等特點)、生物電池等，例如2023年高考題“利用生物燃料電池原理室溫下合成氨”：二、電解1.惰性電極電解水溶液的放電規(guī)律1-1.陽極放電——復原性越強的粒子(分子或離子)優(yōu)先放電離子放電挨次：S2－＞SO32—＞I－＞Fe2+＞Br－＞(OH－)＞Cl－＞OH－＞最高價含氧酸根離子>F—復原性氣體：CO、NO、NH3、SO2、H2等都可在陽極放電，MnO42—在陽極放電1-2.陰極放電——氧化性越強的粒子(分子或離子)優(yōu)先放電陽離子放電挨次：ClO、NO 、MnO 等氧化性離子都可在陰極放電－3－4—2.電解的電極反響與電極、電解質、交換膜、電壓等有關。2-1.與交換膜有關。如：電解裝置如以下圖，電解槽內裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在確定的電壓下通電，覺察左側溶液變藍色，一段時間后，藍色漸漸變淺。Ag＋>Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2ClO、NO 、MnO 等氧化性離子都可在陰極放電－3－4—2.電解的電極反響與電極、電解質、交換膜、電壓等有關。2-1.與交換膜有關。如：電解裝置如以下圖，電解槽內裝有KI及淀粉溶液，中間用陰離子交換膜隔開。在確定的電壓下通電，覺察左側溶液變藍色，一段時間后，藍色漸漸變淺。。以下說法不正確的選項是A．右側發(fā)生的電極方程式：2H2O+2e—==H2↑+2OH—B．電解完畢時，右側溶液中含有IO3—C．電解槽內發(fā)生反響的總化學方程式KI+3H2O======KIO3+3H2↑D．假設用陽離子交換膜代替陰離子交換膜，電解槽內發(fā)生的總化學方程式不變【解析】電解的電極反響為：陽極2I——2e—==I2 左側溶液變藍色陰離子交換膜3I2+6OH—==IO3—+5I—+3H2O 一段時間后，藍色變淺陰離子交換膜向右側移動陰極2H2O+2e—==H2↑+2OH— 電解總的離子方程式：I—+3H2O======IO3—+3H2↑假設用陽離子交換膜代替陰離子交換膜：電極反響為：陽極2I——2e—==I2 多余K+通過陽離子交換膜遷移至陰極陰極2H2O+2e—==H2↑+2OH— 電解總的離子方程式：2I—+2H2O======I2+2H2↑+2OH—類似于電解飽和NaCl溶液2-2.與外加電壓有關2-2-1.通直流電至電解質溶(熔)液，電解不愿定能進展，外加直流電的電壓必需到達電解質溶(熔)液的最小分解電壓。例如：用Pt電極電解0.5mol/LH2SO4溶1.7V。而由其組成的原電池〔—〕Pt-H20.5mol/LH2SO4溶液O2-Pt〔+〕標準電動勢為1.229V故而單個上述電池電解0.5mol/LH2SO4溶液(Pt作電極)是不能進展的，除非將兩個這種電池串聯(lián)起來。2-2-2.電壓不同，電解產(chǎn)物可能不同例如：用FeNaOH溶液作電解質溶液，電壓低時：Fe—2e—+2OH—=Fe(OH)2，電解法制備Fe(OH)2；電壓高且NaOH12mol/L時：Fe—6e—+8OH—=FeO42—+4H2O)FeO2—。42-2-3.電解質溶液濃度不同，電解產(chǎn)物可能不同H2O2。工業(yè)上曾用電解法制過氧化氫：電解60%的硫酸(或硫酸氫銨)95%的雙氧水。由于隨硫酸濃度的增大，SO2—中帶1個單位負電荷的O(S—O—)失去1個e—，4S—O·，2S—O·S—O—O—S。2SO

2——2e—=SO2— —OS—O—O—SO—4 2 8 3 3HO—HＨ—OH(合成)(減少污染、除廢水廢氣中有害物質)習題4-1.電解C(CH2Br)4可制得4-1-1.寫出陽極反響式。4-1-2.畫出空間構造，并命名。4-1-3.確定二氯代產(chǎn)物的數(shù)目(包括立體異構)，畫出具有內消旋體的空間構造?！敬鸢浮?-1-2.螺[2,2]戊烷4-1-1.C(CH2Br)4+4e—====4-1-2.螺[2,2]戊烷【解析】1,1-二氯螺[2,2]戊烷有對稱面，內消旋體【解析】要求2個碳環(huán)相互垂直，每個H【解析】1,1-二氯螺[2,2]戊烷有對稱面，內消旋體順-1,2-二氯螺[2,2]戊烷 反-1,2-二氯螺[2,2]戊烷有對稱面，內消旋體 (1R,2S-) (1S,2R-)1,4-二氯螺[2,2]戊烷(2對對映異構)(1R,4S-) (1S,4R-) (1R,4R-) (1S,4S-)4-2.電解法除去工業(yè)廢水(H+NO3—)和廢氣(NO)電解裝置圖如下：4-2-1.a、b電極分別是 ；從a極流出溶液中含 ；電極反響為 。4-2-2.1mol電子，分析兩池中的質量變化狀況。4-2-1.陰極：NO+5e—+6H+=NH4++H2O 陽極：NO—3e—+2H2O=NO3—+4H+HNO3b極為陽極，a極為陰極；a極流出的溶液是含NH4+NO3—的溶液4-2-2.1mole—1molH+b極遷a1/5molNO1/5molNH4+1/5molH2O，陰極區(qū)(左池)6g+1g=7gm(NH4+)+m(NH4+)+△m(H+)=1/5mol×2×18g/mol