基于定量視角的電化學解題策略

>>>張英鋒 于 浩

電化學一般以陌生且復雜的能量轉化設備為情境，以原電池、電解池、二次電池(或充放電裝置)為載體，以文字敘述加圖片的形式呈現，從電化學工作原理、電化學方程式書寫和電化學定量計算三個層面對電化學知識進行考查。本文選取離子轉移、電極反應物和產物判斷及電極反應式書寫三個高頻考點，從定量視角構建解題模型。

1.離子定量轉移問題

例1.微生物脫鹽電池是一種高效、經濟的能源裝置，利用微生物處理有機廢水獲得電能，同時可實現海水淡化。現以NaCl溶液模擬海水，采用惰性電極，用如圖裝置處理有機廢水（以含CH3COO-的溶液為例）。請判斷選項C是否正確。

C．當電路中轉移1mol電子時，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-移向負極。其中移動的陰陽離子所帶的電荷與移動的電子數量一致，所以電路中轉移1mol電子時，通過離子交換膜的Na+為1mol、Cl-為1mol，質量為1mol×58.5g/mol＝58.5g，即模擬海水理論上除鹽58.5g，故選項C的說法正確。

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

B．生成1mol Co，Ⅰ室溶液質量理論上減少16g

【解析】判斷某一電極區溶液質量的變化，一般計算氣體逸出或者金屬單質、沉淀等固體生成所引起的溶液質量變化，但要注意由于離子移動而可能引起的質量增減。此題中，Ⅰ室實際為電解水2H2O-4e-＝O2↑+4H+，逸出O2使溶液質量減少，但Ⅰ室Ⅱ室之間為陽離子交換膜，在Ⅰ室OH-放電的同時，產生的H+通過陽離子交換膜也會導致Ⅰ室溶液質量減少。所以計算時要注意，電解1molCo，由Co2++2e-＝Co，轉移電子數為2mol，消耗O2為0.5mol，且有2molH+進入Ⅱ室，共減少0.5mol×32g/mol+2mol×1g/mol＝18g，故B錯誤。

解題思路：（1）書寫電極反應式時，要根據電極生成物判斷溶液中離子的種類；（2）準確判斷溶液中各離子移動的方向，注意離子交換膜對離子的選擇；（3）結合題目中電子轉移的數目，判斷離子移動的數目。

2.電極反應物及產物的定量計算問題

例3.K-O2電池結構如圖，a和b為兩個電極，其中之一為單質鉀片。關于該電池，請判斷選項D是否正確。

D．用此電池為鉛酸蓄電池充電，消耗3.9g鉀時，鉛酸蓄電池消耗0.9g水

【解析】當電池給此裝置充電時，兩裝置中轉移電子相同，即根據電子得失守恒的思想進行定量計算。鉀為原電池的負極反應物，此電池中負極反應為K-e-=K+，鉛酸蓄電池充電時總反應為可知水與電子轉移關系2H2O～2e-，即K～e-～H2O，n（H2O）＝n（K）＝0.1mol，消耗水的質量m（H2O）＝nM＝0.1mol×18g/mol＝1.8g，故D錯誤。

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-，并在直流電場作用下分別向兩極遷移。請判斷選項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，其既是陽極區產物又是陰極區產物，根據陽極反應可知HOOC-COOH～2e-～HOH2C-CHO，陰極反應OHC-CHO～2e-～HOH2C-CHO，當制得2mol乙醛酸，根據兩極電子得失守恒，陰極陽極各產生1mol乙醛酸，理論上外電路中遷移了2mol電子。故選項C不正確。

解題思路：（1）判斷物質是電池哪一電極的反應物或生成物；（2）根據反應物和生成物的化合價變化，找出該物質與電子的定量關系或者直接寫出電極反應式；（3）根據電子定量轉移，聯系兩極反應或者兩個電池裝置進行計算。

3.陌生電池電極反應式的定量分析問題

例5.某全固態薄膜鋰離子電池截面結構如圖所示，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中；電極B為LiCoO2薄膜；集流體起導電作用。下列說法正確的是（ ）

C.放電時，電極B為正極，反應可表示為Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2

【解析】先根據題中信息分析，電極A為非晶硅薄膜，充電時Li+得電子成為Li嵌入該薄膜材料中，則電極A為陰極，反應物為Li+和Si，在書寫電極反應式時注意Li元素守恒、電荷守恒，當轉移x個電子時，有x個Li+參與反應，電極反應式為：xLi++xe-+Si＝LixSi；電極B為陽極，反應物為LiCoO2，在電解質中移動的是Li+，所以電極反應式為LiCoO2-xe-=Li1-xCoO2+xLi+。電池總反應可表示為，D項正確。放電時電極B為正極，根據陽極電極反應式可知正極的電極反應式為Li1-xCoO2+xLi++xe-=LiCoO2，C項正確。

解題思路：（1）根據題中信息找出某一電極反應物和生成物；（2）根據電解質判斷在電池中移動的離子及移動方向；（3）根據電極反應物和生成物的化合價變化判斷電子得失，加入參與的離子實現反應式的電荷守恒或者元素守恒，正確書寫電極反應式；（4）對于二次電池，陽極反應式對應正極反應式，陰極反應式對應負極反應式；（5）使兩極反應式中得失電子數相等，陰極和陽極反應式相加或者負極和正極反應式相加可得到總反應式。

電化學的解題模型從宏觀上，要結合相關現象如電流方向判斷電子等微觀粒子的運動方向，根據物質相關性質進行推斷，如氧化性和還原性的強弱、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，認識化學反應過程中電子、離子及物質之間的定量關系。