2023年高中化学竞赛-电化学

电化学胡征善电化学是电与化学准确地说是电子与氧化复原反响的结晶。氧化复原反响有电子的转移而产生电——电池，电能使某些化学物种有电子得失而发生氧化复原反响——电解。原电池必需ΔG<0电解、利用光能可使ΔG>0被迫发生能量转化

强者优先1、概念

负阳氧，正阴还内离移，外电流

电极反响与离子方程式电解质溶〔熔〕液应用1、型化学电源的开发2、物质制备(合成)的方法3、环境化学(废气、废液的处理)4、金属的电化腐蚀与电化防腐

1.离子迁移〔盐桥与交换膜〕2.n(离子)、V(aq)、pH变化离子可在多孔的固体中定向移动电化学包括电池和电解。电池即在两电极上自发发生氧化反响和复原反响而产生电流电动势>0和复原反响。e—e—IA负极〔—〕——电位低发生氧化反响活泼的金属——电极失电子而溶解燃料——燃料失电子燃料电池的电极可以一样，但要求电极多孔()——吸附能力强；具有催化作用正极〔+〕——电位高发生复原反响1．①较不活泼的金属、石墨——导体②氧化性较强的难溶性氧PbO2、Ag2O或Ag2O2NiO(OH)——电极本身得电子2．氧化性气体[如氧气(空气)、氯气等]——氧化性气体得电子、电解质溶(熔)液e— e—

电池的电动势大于电解质溶(熔)液的分解电压，电解才能得以实现e— e—阴极——接电池的负极〔多电子的电极〕发生复原反响金属或石墨——导体氧化性材料——得电子

电解质溶(熔)液

阳极——接电池的正极〔缺电子的电极〕发生氧化反响惰性电极(Au、Pt、石墨)——导体。溶(熔)液中阴离子失电子2．活泼电极电极本身失电子溶解外电路的电子流淌与电解质溶(熔)液中离子迁移的关系：例如：通过溶液每一截面:n(H+)+n(Cl—)=xmol 2n(Cu2+)+n(Cl—)=xmol假设有阴或阳离子交换膜：一、电池(化学电源)电池(化学电源)有多种不同的分类。如：一次电池和二次电池；酸性电池、碱性电池和有机电解液电池；熔盐电池、燃料电池、浓差电池等。中学化学已学过一次电池、二次电池、燃料电池等，这里不再赘述。下面说说浓差电池。浓差电池有两大类型：电解质溶液浓度差和两电极上气体压强差。1.浓差电池例如：(a)CuCuCl2(c1) CuCl2(c2)Cu(b) c1>c2 为阴离子交换膜b为负极：Cu—2e—=Cu2+ a为正极：Cu2++2e—=CuCl—通过交换膜从左池迁移至右池，最终两池CuCl2溶液浓度一样。总过程为：Cu2+(c1) Cu2+(c2)又如：(0.2MPaCl2)Pt(a) HCl(aq) (b)Pt(0.1MPaCl2)Pt极为正极：Cl2+2e—=2Cl— (b)Pt极为负极：2Cl——2e—=Cl2总过程为：Cl2(p1) Cl2(p2) p1>p2Cl2H2，则：(a)Pt极为负极：H2—2e—=2H+ (b)Pt极为正极：2H——2e—=H2总过程为：H2(p1) H2(p2) p1>p2总之，浓差电池是同一电解质溶液浓度大或电极上同一气体压强大的自发地向浓度小或压强小的方向集中。利用浓差电池工作原理可研发海水浓差电池。型化学电源：固态锂电池(固体电解质代替有机电解液)、石墨烯基-锂离子电池(具有充电快蓄电量大的等特点)、生物电池等，例如2023年高考题“利用生物燃料电池原理室温下合成氨”：二、电解1.惰性电极电解水溶液的放电规律1-1.阳极放电——复原性越强的粒子(分子或离子)优先放电离子放电挨次：S2－＞SO32—＞I－＞Fe2+＞Br－＞(OH－)＞Cl－＞OH－＞最高价含氧酸根离子>F—复原性气体：CO、NO、NH3、SO2、H2等都可在阳极放电，MnO42—在阳极放电1-2.阴极放电——氧化性越强的粒子(分子或离子)优先放电阳离子放电挨次：ClO、NO 、MnO 等氧化性离子都可在阴极放电－3－4—2.电解的电极反响与电极、电解质、交换膜、电压等有关。2-1.与交换膜有关。如：电解装置如以下图，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在确定的电压下通电，觉察左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色渐渐变浅。Ag＋>Fe3＋＞Cu2＋＞H＋＞Pb2＋＞Sn2＋＞Fe2＋＞Zn2ClO、NO 、MnO 等氧化性离子都可在阴极放电－3－4—2.电解的电极反响与电极、电解质、交换膜、电压等有关。2-1.与交换膜有关。如：电解装置如以下图，电解槽内装有KI及淀粉溶液，中间用阴离子交换膜隔开。在确定的电压下通电，觉察左侧溶液变蓝色，一段时间后，蓝色渐渐变浅。。以下说法不正确的选项是A．右侧发生的电极方程式：2H2O+2e—==H2↑+2OH—B．电解完毕时，右侧溶液中含有IO3—C．电解槽内发生反响的总化学方程式KI+3H2O======KIO3+3H2↑D．假设用阳离子交换膜代替阴离子交换膜，电解槽内发生的总化学方程式不变【解析】电解的电极反响为：阳极2I——2e—==I2 左侧溶液变蓝色阴离子交换膜3I2+6OH—==IO3—+5I—+3H2O 一段时间后，蓝色变浅阴离子交换膜向右侧移动阴极2H2O+2e—==H2↑+2OH— 电解总的离子方程式：I—+3H2O======IO3—+3H2↑假设用阳离子交换膜代替阴离子交换膜：电极反响为：阳极2I——2e—==I2 多余K+通过阳离子交换膜迁移至阴极阴极2H2O+2e—==H2↑+2OH— 电解总的离子方程式：2I—+2H2O======I2+2H2↑+2OH—类似于电解饱和NaCl溶液2-2.与外加电压有关2-2-1.通直流电至电解质溶(熔)液，电解不愿定能进展，外加直流电的电压必需到达电解质溶(熔)液的最小分解电压。例如：用Pt电极电解0.5mol/LH2SO4溶1.7V。而由其组成的原电池〔—〕Pt-H20.5mol/LH2SO4溶液O2-Pt〔+〕标准电动势为1.229V故而单个上述电池电解0.5mol/LH2SO4溶液(Pt作电极)是不能进展的，除非将两个这种电池串联起来。2-2-2.电压不同，电解产物可能不同例如：用FeNaOH溶液作电解质溶液，电压低时：Fe—2e—+2OH—=Fe(OH)2，电解法制备Fe(OH)2；电压高且NaOH12mol/L时：Fe—6e—+8OH—=FeO42—+4H2O)FeO2—。42-2-3.电解质溶液浓度不同，电解产物可能不同H2O2。工业上曾用电解法制过氧化氢：电解60%的硫酸(或硫酸氢铵)95%的双氧水。由于随硫酸浓度的增大，SO2—中带1个单位负电荷的O(S—O—)失去1个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)(减少污染、除废水废气中有害物质)习题4-1.电解C(CH2Br)4可制得4-1-1.写出阳极反响式。4-1-2.画出空间构造，并命名。4-1-3.确定二氯代产物的数目(包括立体异构)，画出具有内消旋体的空间构造。【答案】4-1-2.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]戊烷有对称面，内消旋体【解析】要求2个碳环相互垂直，每个H【解析】1,1-二氯螺[2,2]戊烷有对称面，内消旋体顺-1,2-二氯螺[2,2]戊烷 反-1,2-二氯螺[2,2]戊烷有对称面，内消旋体 (1R,2S-) (1S,2R-)1,4-二氯螺[2,2]戊烷(2对对映异构)(1R,4S-) (1S,4R-) (1R,4R-) (1S,4S-)4-2.电解法除去工业废水(H+NO3—)和废气(NO)电解装置图如下：4-2-1.a、b电极分别是 ；从a极流出溶液中含 ；电极反响为 。4-2-2.1mol电子，分析两池中的质量变化状况。4-2-1.阴极：NO+5e—+6H+=NH4++H2O 阳极：NO—3e—+2H2O=NO3—+4H+HNO3b极为阳极，a极为阴极；a极流出的溶液是含NH4+NO3—的溶液4-2-2.1mole—1molH+b极迁a1/5molNO1/5molNH4+1/5molH2O，阴极区(左池)6g+1g=7gm(NH4+)+m(NH4+)+△m(H+)=1/5mol×2×18g/mol