電化學體系中電解質溶液變化量的計算

電化學體系中電解質溶液變化量的計算是近年高考命題的熱點，此類問題綜合考查學生基于電化學基礎知識，定量計算某一區域內電解質溶液的質量或所含離子的物質的量在電化學反應過程中的變化，對學生的守恒觀念和數據處理能力具有一定挑戰.本文例析相關考題，旨在幫助學生形成較為系統的電解質溶液變化量的計算思維模型.

1非電極區溶液變化量的計算

非電極區溶液是指電化學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溶液分隔開，如多室電化學體系的中間隔室.在化學電源或電解池工作時，非電極區溶液中沒有電極反應發生，但有離子遷出至相鄰溶液，或由相鄰溶液遷入，過程示意圖如圖1.非電極區溶液變化量僅與離子遷移有關，可結合相鄰電極區溶液中的電極反應，再依托各區域溶液電荷守恒規律計算求得.

例1中國科學院福建物質結構研究所制備了一種新型鉍基有機復合框架（Bi-ZMOF）， 電池用其作電極能提高放電效率，電池結構如圖2所示，雙極膜在直流電場的作用下，將膜復合層間的 解離成 和 并向兩極遷移.下列說法錯誤的是（ ）.

A.Bi-ZMOF電極電勢高于鋅片電極電勢B.放電時負極區發生的反應為

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

由圖2可知，該電池中鋅片電極為負極，Bi-ZMOF電極為正極，正極電勢高于負極電勢，選項A說法正確.在負極區 Z n 失去電子并與 反應生成 ，電極反應式為 Z n - ，選項B說法正確.由負極電極反應式可知，每消耗 6 . 5 g 鋅時，轉移 0 . 2 m o l ，消耗 ，生成 0 . 1m o l 為保持溶液電荷守恒，雙極膜內應解離 生成 并向左遷移至負極區溶液，選項C說法錯誤.Bi-ZMOF電極為正極， 在該極得到電子發生還原反應生成HCOOH，所以Bi-ZMOF在電池中主要起吸附 、催化 轉化為HCOOH的作用，選項D說法正確.答案為C.

思維建模計算非電極區溶液變化量的核心思維模型是當電化學體系工作時，會在電極區溶液中產生或消耗一定量某種離子，同時也有離子在非電極區溶液和電極區溶液之間經膜發生遷移，從而保持各區域溶液電荷守恒.解題的關鍵是基于電荷守恒規律，準確建立電化學反應帶來的電極區離子變化量與非電極區溶液中離子遷移量的定量關系，分析過程及相應依據具體如圖3所示.首先寫出電極區溶液中的電極反應式，厘清電極區溶液在電化學反應過程中的離子變化量，然后根據隔膜材料性質和離子遷移規律，確定非電極區溶液的遷入或遷出離子的種類，最后依據電荷守恒規律，計算電極反應時非電極區的離子遷移量，得出最終結果.

2電極區溶液變化量的計算

電極區溶液與電極材料直接接觸，區域內有電極反應發生，常見的如電解池中的陽極室或陰極室.從圖4可以看出，相比于非電極區溶液，電極區溶液變化量不僅與離子遷移有關，還應考慮電極反應后從電極材料處進入溶液或離開溶液的微粒.

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.下列說法錯誤的是.

A.與導電碳布相連的一極為電源的負極B.反應一段時間后，陰極區和陽極區溶液的pH習減小

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

根據圖中物質標注可知，導電碳布上發生還原反應： 故導電碳布為陰極，與導電碳布相連的一極為電源的負極，選項A說法正確.由圖可知導電碳刷為陽極，總反應為 ，理論上陽極區每消耗 將生成 ，為保持陽極區溶液電荷守恒，同時還應有 經由質子交換膜向右遷移至陰極區，故隨電解反應進行，陰極區和陽極區溶液中 均增大， p H 均減小，選項B說法正確.理論上每將 處理為 ，陽極區溶液減少的質量由兩部分構成，其一為電極反應生成的1 mol 的質量，其二為向右遷移至陰極區的 （2 的質量，共計減少 3 4 g ，選項C說法錯誤.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下降，選項D說法正確.答案為C.

思維建模計算電極區溶液變化量的核心思維模型是基于溶液電荷守恒規律和電化學基本原理，從“電極反應改變量”和“電極區離子遷移量”兩個方面共同著手分析，如圖6所示.首先依據試題信息和電化學基本原理明確電極反應式，找到因電極反應進入溶液的微粒（如消耗的氣體或固體等）、離開溶液的微粒（如生成的氣體或沉淀等），然后根據隔膜材料性質、離子遷移規律和溶液電荷守恒規律，綜合計算當電路中轉移一定量電子時，電極反應和離子遷移共同帶來的溶液中微粒質量或濃度的實際變化量.在計算分析此類問題時，學生需從溶液中微粒存在的形式和數目的角度，全面定量分析目標溶液在電化學反應前后的微粒變化，由此得出準確變化量.

3電極區與非電極區溶液變化量的共同計算

在某些多室電化學體系中，為提高制備效率，技術人員精心設計了電解質溶液體系，并選用了相應的離子交換膜材料，使得產物可在多個區域同時產生.因而在計算產量時，不僅要關注電極區溶液中微粒的變化量，還要考慮非電極區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.當電路中轉移 2 m o l 電子時，整套裝置制得 的物質的量為 mol.

該電解池體系可用于制備 和Δ N a O H ，故電極N應為陽極，電極反應式為 ，膜f應采用陰離子交換膜， ④ 中 經由膜f向右遷移至電極區N，與電極反應產物 共同組成 .此外，為體現制備過程的高效性，膜b應使用陰離子交換膜， ① 中 經由膜b也向右遷移，與來自雙極膜中間層的 在 ② 中共同制得 .當電路中轉移 2 m o l 電子時，整套裝置制得 的物質的量計算過程如下：

電極區N：電極反應生成 ，為使溶液電荷守恒，還有 經由膜f向右遷移，在電極區N生成 1m o l （204號 .非電極區 ② ：由電荷守恒規律可知，有 經由膜b向右遷移，同時有 由雙極膜中間層向左遷移，在非電極區 ② 生成1mol .故當電路中轉移 電子時，制得 的物質的量共計為 2 m o l ：

思維建模針對多個區域電解質溶液中同時產生某一產物的計算問題，可分別利用電極區溶液變化量和非電極區溶液變化量的計算思維模型，逐一分析不同區域溶液在一定量電子轉移時的離子遷移量和電極反應改變量，將各處計算結果加和后得出最終結論.

在分析電化學體系中各區域電解質溶液變化量時，學生不僅要關注電極反應對各區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，比一般電極產物產量或電極質量增減的計算問題更加復雜.借助圖3和圖6的思維模型可促進學生深刻領悟此類問題的微觀本質特點，無論分析哪一區域電解質溶液的變化量，實際都是基于對電極反應式和離子遷移情況的定量分析，由此可盡快明確計算電解質溶液變化量的切入點并得出準確結果.

鏈接練習

1.一種微生物電池無害化處理有機廢水的原理如圖8所示，廢水中含有的有機物用 表示.理論上當M極產生標準狀況下 時， I 區溶液減少的質量為 g.

2.已知雙極膜為復合膜，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.下列說法正確的是（ ）.

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

鏈接練習參考答案

1.58.5.2.C.

（完）

高中 數理化 71