融合創(chuàng)新的高考電化學(xué)試題中的計(jì)算

電化學(xué)作為高考化學(xué)的核心板塊，其計(jì)算題型正從傳統(tǒng)的電極反應(yīng)式書寫、電子守恒關(guān)系的應(yīng)用逐步向融合真實(shí)情境的創(chuàng)新考查轉(zhuǎn)變.本文例析融合晶胞、化學(xué)平衡、反應(yīng)熱的電化學(xué)試題中的相關(guān)計(jì)算，以期幫助學(xué)生復(fù)習(xí)備考.

1與晶胞融合考查的計(jì)算

一例1某種離子型鐵的氧化物晶胞見圖1，它由a、b兩種正方體單元組成，且兩種正方體單元中氧離子的空間位置相同.若通過 Li⁺ 嵌入或脫嵌晶胞的棱心和體心，可將該晶體設(shè)計(jì)為鋰電池的正極材料LiFe_nO_m/Li_1-xFe_nO_m（m，n 為正整數(shù)）.已知：

一個(gè)晶胞中脫嵌出的 Li⁺ 數(shù) ×100% 脫嵌率=二個(gè)晶胞中嵌入Li+的最大值下列說法錯(cuò)誤的是（ ）.

圖1

A.a單元中，體心位置的 Fe²⁺ 位于 O^2- 形成的四面體空隙中B.該晶胞中 Fe³⁺ 周圍等距且最近的 O^2- 有6個(gè)C.放電時(shí)，該鋰電池的正極反應(yīng)為 Li_1-xFe₆O₈+ xe^-+nLi⁺=LiFe₆O₈ D.若該正極材料中 n（Fe²⁺）：n（Fe³⁺）=3：5 ，則脫嵌率為 50%

由圖1可知， a 單元中，體心位置的 Fe²⁺ 位于O^2- 形成的四面體空隙中，選項(xiàng)A說法正確.結(jié)合b正方體單元的晶胞圖可知， Fe³⁺ 周圍等距且最近的 O^2- 有6個(gè)，選項(xiàng)B說法正確.放電時(shí)，該鋰電池的正極得電子，電極反應(yīng)為

Li_1-xFe₆O₈+xe^-+xLi⁺=LiFe₆O₈，

選項(xiàng)C說法正確.由于 Li⁺ 嵌人或脫嵌晶胞的棱心和體心，所以 Li⁺ 總數(shù)為 ，由化學(xué)式為LiFe₆O₈ 可知，1個(gè)晶胞中 O^2- 為32個(gè)， Fe 有24個(gè)，Li有4個(gè)，根據(jù)正負(fù)化合價(jià)代數(shù)和為0可知， Fe²⁺ 個(gè)數(shù)為 12，F(xiàn)e³⁺ 個(gè)數(shù)也為12，設(shè) x 個(gè) Li⁺ 脫嵌，則有 x 個(gè) Fe²⁺ 被氧化為 Fe³⁺ ，所以當(dāng)正極材料中 n（Fe²⁺）， ：n（Fe2+）=3：5時(shí)，12+x= （20 ，故 x=3 ，有3個(gè) Li⁺ 脫5嵌，則脫嵌率為 75% ，選項(xiàng)D說法錯(cuò)誤.答案為D.

解題策略與晶胞融合的計(jì)算依然應(yīng)用均攤法確定晶胞的微粒組成，通過題干信息明確充放電過程中微粒嵌入或脫嵌，依據(jù)電荷守恒（正負(fù)化合價(jià)的代數(shù)和為0）確定電極材料組成與變化，正確書寫電極反應(yīng)，再根據(jù)陌生信息的提示進(jìn)行相關(guān)計(jì)算.

2與化學(xué)平衡融合考查的計(jì)算

例2一種高效除去廢水中的 PO₄^3- 的電化學(xué)裝置如圖2所示.已知常溫下， K_sp 0 ΔFePO₄）=1.3× .0^-22，K_sp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39 .下列說法正確的是（ ）.

圖2

A.若以鉛蓄電池為電源，則a極應(yīng)與 Pb 電極相連B.陽極發(fā)生的電極反應(yīng)為 4Fe²⁺+O₂+4H⁺+ C.開始電解前應(yīng)先調(diào)節(jié) pH 約為2，若 pHgt;4 ，該電解原理除去 PO₄^3- 的效率更高D.電路中有 0.3mol 電子通過時(shí)，理論上最多生成的 FePO₄ 的質(zhì)量為 22.65g

由圖2可知，該電化學(xué)裝置使 PO₄^3- 轉(zhuǎn)化為FePO₄ 沉淀除去，則Fe為陽極，失去電子后生成 Fe²⁺ ， O₂ 將 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺ ，石墨為陰極，故a為正極，b為負(fù)極，若以鉛蓄電池為電源，b極應(yīng)與 Pb 電極相連，選項(xiàng)A錯(cuò)誤.Fe電極為陽極，F(xiàn)e失去電子生成 Fe²⁺ ，電極方程式為 Fe-2e^-=Fe²⁺ ，選項(xiàng)B中的反應(yīng)式是陽極區(qū)總反應(yīng)，而非電極反應(yīng)，錯(cuò)誤.由K_sp[Fe（OH）₃]=2.8×10^-39 可知， Fe³⁺ 完全轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃ 沉淀時(shí)

6.5×10^-12mol?L^-1，

故 pH=2.8 ，開始電解前應(yīng)先調(diào)節(jié) pH 約為2，抑制Fe³⁺ 轉(zhuǎn)化為 Fe（OH）₃ 沉淀，若 pHgt;4 Fe³⁺ 會(huì)轉(zhuǎn)化為Fe（OH）₃ 沉淀，除去 PO₄^3- 的效率會(huì)降低，選項(xiàng)C錯(cuò)誤.電路中有 0.3mol 電子通過時(shí)，生成 0.15mol Fe²⁺，O₂ 將 Fe²⁺ 氧化為 Fe³⁺ ，理論上最多生成的FePO₄ 物質(zhì)的量為 0.15mol ，質(zhì)量為 151g?mol^-1× 0.15mol=22.65g. ，選項(xiàng)D正確.答案為D.

解題策略與化學(xué)平衡、電離平衡、沉淀溶解平衡等融合考查的電化學(xué)計(jì)算，首先應(yīng)明確電化學(xué)過程對物質(zhì)濃度的影響，然后根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式列出等式.在計(jì)算判斷的過程中，要注意根據(jù)平衡常數(shù)的大小和反應(yīng)的實(shí)際情況進(jìn)行合理的近似處理，簡化計(jì)算過程.

3與反應(yīng)熱融合考查的計(jì)算

例3猶他大學(xué)化學(xué)家發(fā)明了 N₂/H₂ 生物燃料電池，以質(zhì)子交換膜為隔膜，室溫條件下合成了氨（工作原理如圖3）.已知工業(yè)合成氨的熱化學(xué)方程式為

ΔH=-92.4kJ?mol^-1.

下列有關(guān)該電池的說法正確的是（ ）.

圖3

A.“Anode\"意為正極、“Cathode\"意為負(fù)極B.已知原裝置中不含有 NH₄⁺ ，則理論上燃料電池中最終不會(huì)生成 NH₄⁺ C.“Anode\"電極上發(fā)生反應(yīng)為N₂+6e^-+6H⁺=2NH₃ D.若該電池的能量轉(zhuǎn)化效率為 80% ，則每生成17gNH₃ ，理論上可放出 73.92kJ 電能

原電池中電子由負(fù)極流向正極，“Anode”極失去電子為負(fù)極，“Cathode”極得到電子為正極，選項(xiàng)A錯(cuò)誤.每轉(zhuǎn)移 3mol 質(zhì)子的同時(shí)，消耗3molH⁺ 并生成 1molNH₃ ，移動(dòng)至正極的 H⁺ 不足以與 NH₃ 反應(yīng)生成 NH₄⁺ ，選項(xiàng)B正確.“Anode\"極失去電子為負(fù)極，發(fā)生反應(yīng)為 H₂-2e^-=2H⁺ ，選項(xiàng)C錯(cuò)誤.若該電池的能量轉(zhuǎn)化效率為 80% ，則每生成17gNH₃ ，理論上可產(chǎn)生電能為 80%=36.96kJ ，選項(xiàng)D錯(cuò)誤.答案為B.

解題策略電化學(xué)是實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能互換的裝置，能向外釋放能量的反應(yīng)是設(shè)計(jì)成化學(xué)電源的先決條件.因此電化學(xué)與反應(yīng)熱密切相關(guān)，進(jìn)行反應(yīng)熱計(jì)算時(shí)要先明確熱化學(xué)方程式的計(jì)量數(shù)僅表示物質(zhì)的量，再根據(jù)物質(zhì)的量與 ΔH 的數(shù)量關(guān)系及能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)行計(jì)算.

4結(jié)語

高考命題將聚焦“雙碳目標(biāo)”下的電催化、新型儲(chǔ)能技術(shù)（如鋰硫電池、鈉電池）的情境創(chuàng)新，融合物質(zhì)的量、能量轉(zhuǎn)化效率、環(huán)境保護(hù)等多維度綜合計(jì)算的考查.夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，熟練掌握“找物質(zhì)、配電子、調(diào)守恒\"電極反應(yīng)式書寫的“三步法”；針對新型電池，用“總反應(yīng) 正極反應(yīng) + 負(fù)極反應(yīng)\"逆向推導(dǎo)未知電極式，強(qiáng)化思維建模；分析近年全國卷及新高考卷電化學(xué)計(jì)算真題，總結(jié)“情境、考點(diǎn)\"對應(yīng)規(guī)律，如 CO₂ 電解常考產(chǎn)物選擇性計(jì)算，燃料電池常考能量密度等.

電化學(xué)計(jì)算的創(chuàng)新試題本質(zhì)是“原理的情境化表達(dá)”，無論背景如何新穎，核心始終圍繞“電子守恒”與“物質(zhì)轉(zhuǎn)化”備考時(shí)需建立“從現(xiàn)象到本質(zhì)”的分析路徑，將新型裝置拆解為“電極反應(yīng)—離子遷移一能量變化\"的基本模型，再結(jié)合定量關(guān)系精準(zhǔn)計(jì)算.這種“知識(shí)遷移 + 邏輯推理”的思維模式，不僅是應(yīng)對高考的關(guān)鍵，更是理解電化學(xué)前沿技術(shù)的基礎(chǔ).

（完）