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高中化学竞赛试题中的电化学知识点分析


2010年,第10期

化学竞赛

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高中化学竞赛试题中的电化学知识点分析
袁鸿志 (遂宁一中,四川遂市629000)

文章编号:1005--6629(20t0)10--0057--03

中图分类号:G632.479

文献标识码:B

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“电化学”是中学化学的重点和难点之一,它 既体现以化学学科为基础,又与电学等物理学知识 相互渗透。 “电化学”试题在考查学生基础知识的

什么作用?其可能的原因是什么?答:——。
全产生——堵塞电极的气体通道,有人估计,
代化学家的历史使命。 命题意图:联系实际考查原电池相关知识.即 原电池电极的确定和书写,固体电解质掺杂的导电 能力,能量的利用率等。 解题关键:本题中“燃料电池”在本质上属于 原电池,故答题最重要的是在于找出原电池的正、 负极以及反应总方程式,再利用电极反应作出一些 正确的判断。 解析: (1)2C4H10+1302=8C02+10H20(必须配 (5)汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完 完全避免这种副反应至少还需10年时间。正是新一

同时.又考查学生思维能力和综合能力。综观近几 年全国高中化学竞赛(初赛)试题,可以发现电化 学知识几乎年年出现.主要集中在电极电势概念的 应用及新型化学电源方面。现将考查该热点的试题 类型归纳如下:


电极的确定及电极反应方程式的书写

1.1原电池的电极反应式书写及应用 第1题:设计出燃料电池使汽油氧化直接产生 电流是本世纪最富有挑战性的课题之一。 最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入 空气,另一电极通人汽油蒸气,电池的电解质是掺 杂了Y:O,的ZrO。晶体,它在高温下能传导02一离子。 回答如下问题: (1)以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生反 应的化学方程式是: (2)该电池正极反应式是: 极反应式是: 02一的移动方向是: ;负 固体电解质里的 :向外电路释放

平;所有系数除2的方程式均应按正确论)。 (2)2
02+4e-=202一;C4H10+1 302--26e-=4C02+5H20;

向负极移动(答向通入汽油蒸气的电极移动也得满 分);负极(答通人汽油蒸气的电极也得满分)。 (3)燃料电池具有较高的能量利用率(答内燃 机能量利用率较低也满分;用热力学第二定律解释 等,得分相同)。 (4)为维持电荷平衡,晶体中的02一将减少(或 导致02一缺损)从而使02一得以在电场作用下向负极 移动(表述不限,要点是:掺杂晶体中的02一比纯 ZrO:晶体的少)。 (5)碳(炭粒)等。 1.2电解池电极的判断及电极方程式的书写

电子的电极是:——。 里燃烧汽油产生动力的主要原因是:——。

(3)人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机

(4)你认为在ZrO:晶体里掺杂Yz0,用Y3+代替晶 体里部分的Zr4+对提高固体电解质的导电能力会起

是一堆杂乱无章的观察材料和实验的配料记录。道 尔顿的原子论使得化学从收集材料走上了整理材料 的道路,它为化学开辟了一个新时代。正如恩格斯 曾高度评价的那样,在化学中,特别是由于道尔顿 发现了原子量,现已达到的各种结果都具有秩序和 相对的可靠性,已经能够有系统地、差不多是有计 划地向还没有被征服的领域进攻,就像计划周密的

围攻一个堡垒一样。

参考文献:
【1】[英]约翰?道尔顿.李家玉,盛根玉译.化学哲学新体系[M].北 京:北京大学出版社.2006. [2](日]原光雄.黄静译.近代化学的奠基者.北京:科学出版社,
1986.

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化学教学

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第2题:气态废弃物中的硫化氢可用下法转化 为可利用的硫:配制一份电解质溶液,主要成分 为:K4[Fe(CN)6](200 g?L。)和KHC03(60 g?L‘1);通电 电解.控制电解池的电流密度和槽电压,通人H2S 气体。写出相应的反应式。 已知:E。【Fe(CN)63_/Fe(CN)64]=0.35 V;KHC03溶 液中的E。(HTH2)~一O.5 V;E。(S/S})~一0.3 V。 命题意图:考查学生对电解池的电极方程式及 总反应方程式的书写。 解题关键:本题解答的关键在于利用电极的标 准电极电势来判断出构成电解池的阴阳极,然后根 据电极方程式书写总方程式。 解析:通电后,阳极反应:[Fe(CN)6]4’一e-=[Fe
图1大型蓄电系统装置图

(1) 左、右储罐中的电鳃质分别为: 左: :右:
.....................。...........。..........一O

(CN)6]卜……①;阴极反应:2HC03-+2e一=2C032-+H2 ……②。①②相加得到电解反应式:2[Fe(CN)6]4一+ 2HC03-=2[Fe(CN)d3-+2C032-+H2 t……③。即通电一
段时间后,通人H2s前,电解质溶液中的成分已变 为:【Fe(CN)d}、C032一、K+、H2等,由于E。[Fe(CN)3-/ Fe(CN)/一]>E。(S/S2-)>KHC03溶液中的E8(H+/H2),所 以有H:又有H2s时,[Fe(CN)6]3一与H:不能共存,【Fe (CN)6]3一与HzS也不能共存,[Fe(CN)6]3一先将Hz氧化, 后氧化H2S。 (1)2[Fe(CN)6]3_+H2=2[Fe(CN)6]4-+2H+……?(少;又 由于有C032一存在时,H+不能共存,故2[Fe(CN)6】3一与 H。之间的氧化还原方程式应写为:2[Fe(CN)6]3一+2 应。

(2) 写出电池充电时,

阳极和阴极的电极反

阳极:——;阴极:
(3)写出电池充、放电的反应方程式。 (41指出在充电过程中钠离子通过膜的流向。 命题意图:该题考查的是大型钠离子蓄电池的 解题关键:正确判断电池充、放电时的电极反

工作原理以及电化学的相关综合知识。

应是解答此题的关键。放电时,Br3一在正极得到电 子变为3Br一,而S22坝q在负极失去电子变为S42_。 解析:1%.由于在电池放电和充电时离子选择性 膜可允许钠离子通过,又知道放电前,被膜隔开的 电解质为Na。S:和NaBr3,放电后,分别变为Na2S。和 3NaBr。因此,左、右储罐中的电解质分别为:

C032-+H2=2[Fe(CN)d*-+2HC03一……⑧
(2)当通人H2S后,【Fe(CN)6]3一也要氧化H2S:涉 及硫化氢转化为硫的总反应:2Fe(CN)产+H2S=2Fe

左:原电池(+)极,发生还原反应:Br3一鲨3Br一,
NaBrJNaBr(只写一种也可);右:原电池(一)极,发生

(CN),+2H++S……⑥,同理,有大量C032-存在时,
H+也不能自由存在,H++C032一=HC03一,所以,通电 后,通入H2S时,有硫生成的总反应式:2Fe(CN)63一+

氧化反应:2S22一二等¥42一,Na2SJNa2S4(只写一种也
可)。 2.充电时相当于电解池,阳极:即原来的(+)极 发生氧化反应,3NaBr一2e一=NaBr3+2Na+;阴极:即原 来的(一)极发生还原反应,Na2S4+2Na++2e-=2Na2S2。

2C032-+H2S=2Fe(CN)64-+2HC03-+S……⑦,HCOf再
去完成阴极反应,Fe(CN)64一再去完成阳极反应,故

将③⑦相加后得:H2S=H2+S。
1.3充电电池电极反应书写及电解质溶液的判


3.2Na2S2+NaBr3等Na2S4+3NaBr。
2标准电极电势的应用

4.在充电过程中,Na2S。变为Na2s:,钠离子流 第3题:图1是一种正在投入生产的大型蓄电系 向阴极完成还原反应,故Na+的流向为从左到右。

统。左右两侧为电解质储罐,中央为电池,电解质 通过泵不断在储罐和电池问循环:电池中的左右两 侧为电极,中间为离子选择性膜,在电池放电和充 电时该膜可允许钠离子通过;放电前,被膜隔开的 电解质为Na2S:和NaBr3,放电后,分别变为Na2S。和
NaBr。

第4题:镅(Am)是一种用途广泛的锕系元素。 蛳Am的放射性强度是镭的3倍,在我国各地商场里 常常可见到猢Am骨密度测定仪,检测人体是否缺 钙:用241Am制作的烟雾监测元件已广泛用于我国 各地建筑物的火警报警器(制作火警报警器的1片 241Am我国批发价仅lO元左右)。镅在酸性水溶液里

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的氧化态和标准电极电势(E。/V)如下,图中2.62

第5题:某远洋船只的船壳浸水面积为4500 m2,与锌块相连来保护,额定电流密度为15
mA?

是AmP/Am3+的标准电极电势,一2.07 V是Am3qAm的 标准电极电势,等等。一般而言,在标准状态下, 发生自发的氧化还原反应的条件是氧化剂的标准电 极电势大于还原剂的标准电极电势。
l 68

m。2,预定保护期限2年,可选择的锌块有两种,每 块的质量分别为15.7 kg和25.9 kg,通过每块锌块 的电流强度分别为0.92 A和1.2 A。计算说明,为达 到上述保护船体的目的,最少各需几块锌块?用哪 种锌块更合理?为什么? 命题意图:近几年电化学竞赛题已从传统的电 极计算越来越偏向于科研及工业应用。因此,在培 训竞赛选手过程中,充分研究解题方法和技巧不仅 有利于得高分,而且会有助于得到正确的答案。 解题关键:本题的难点在于读懂该题的意思。 解析:首先,算出通过体系的总电量:2x365
dx24 h?d一1x60 min?h一1×60 s?rain一1=6.307×107
0.0150 A?m2x4500 m2=67.5 A:67.5Ax6.307x107 4.257x109 C。
s:

厂—~■二二亚[二习厂———] Ak。j+上殳AI:l。;卫堕Am4+三6土上扣_二玉LA一+盟Ak
—2 07

!!!

:!塑

图2镅的氧化态和标准电极电势图

试判断金属镅溶于过量稀盐酸溶液后将以什么 离子形态存在。简述理由。 附:E。(H+/H2)=O
/H20)=1.23 V。
V;E

8(C1JCl-)=I.36 V;E。(02

命题意图:该题是一道电化学信息题,将标准 电极电势作为信息传递给考生,要求他们思考和应 用。 解题关键:从图中可以看出,Am可以和稀盐 酸溶液反应生成Am“、Amn、Am“离子,因为相应 的电极电势为一1.55
V、一2.3

s=

其次,计算总共需要多少锌。电子的量为:
4.257x109

C/(9.65x104 C-tool一1)=4.411x104

tool; x10。

V、一0.9 V,都小于0,

锌量:

(4.411×104 moll2x65.4 g?mol‘11

同样,Am。+又可以发生歧化反应生成AmO:+,因为 它右边的电极电势2.62 V比左边的0.82 V大; Am02+又可以接着发生歧化反应生成Am022+和Am3+, 因为它右边的电极电势1.72 V比左边比1.59 V大。 同理Am2+也不稳定。这样一来,就只剩下Am,+和 Am022+,其电极电势图如下:

kg?g-1=1443 kg=1.44×1钟kg。 需质量为15.7 kg/块的锌块数为:1.44x103 kg/ (15.7 k∥块)=91.7块一92块。92块x0.92M块=85
A>67。5 A,电流强度可以达到要求。

需质量为25.9 kg/块的锌块数为:1.44x103 kg,
(25.9 kg/块1=55.6块一56块。

56块×1.2A/块=67.2A<67.5A.电流强度达不到

Ar002*J生旦一A护—二塾里一Am
再者,由于Am022+到Am3+的电极电势为1.68 也不稳定,最终只能生成Am3+。 解析:要点1:E。(Am“*/Am)<O,因此Am可与 稀盐酸反应放出氢气转化为Am”,n=2,3,4;但 E。(Am3+/Am2+)<O,Am2+一旦生成可继续与H+反应 转化为Am“(或答:E。(Am37Am)<O,n=3)。 要点2:E 8(Am4+/Am3+)>E。(Am02*/Am4+),因 此一旦生成的Am“会自发歧化为Am02+和Am3+。 要点3:Am02+是强氧化剂,一旦生成足以将 水氧化为0知或将Cl一氧化为CI:,自己转化为Am3+, 故Am02+也不能稳定存在。相反,Am02+是弱还原 剂,在此条件下不能被氧化为Am022+。 要点4:Am3+不会发生歧化(原理同上),可稳 定存在。 结论:镅溶于稀盐酸得到的稳定形态为Am“。 3金属腐蚀及防护中的电子转移数与电量之 间的换算关系
V,

要求,应当加1块,则57块×1.2 A/块=68.4A,电流 强度才能达到要求。 选用较重的锌块更合理,因其电流强度较小, 理论上可以保证2年保护期限,而用较轻的锌块因 其电流强度太大,不N2年就会消耗光。 启示:根据电化学的有关知识设计的竞赛题是

有强氧化性.可以氧化Cl一和刚生成的氢气,所以

多年来命题的热点之一。由于电化学内容便于进行
学科间的渗透,因此电化学作为重点内容之一,与 其他知识结合起来考查学生各方面的能力将是今后 进行综合能力测试的理想知识点。本文将近几年有 关电化学的竞赛试题做了一些粗略分类,并不能覆 盖电化学所有知识及题型,但只要掌握其基本规 律,对于这部分内容的求解自然就会胸有成竹,驾 驭自如。

参考文献:
…马宏佳.高中化学奥赛试题评析【M].南京:南京师范大学出版 社.2005,7:91~92. 【21廖旭果.2005年全国高中化学竞赛初赛部分试题赏析.化学教 学U],2006(4):48.

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