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例题精讲 · 第 00018 题 · 电子守恒是总钥匙

串联电解池与电量计算,看着数据多,其实只有一把钥匙:各池通过的电子物质的量相等。本组三道自编仿真题依次练:两个串联电解池由单一电极析出量反推另一极产物、由电流与时间计算析出物质量(含 F=96500 C/mol 的用法)、电解后溶液浓度与 pH 的综合计算。每题给出完整守恒链、验算与采分点。

00018题号全 1000 篇 · 第 第3轮 / 第3册 轮
方向化学·电化学与工艺流程六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——按课程标准与联招常见考点范围编写,非真题原文;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 电化学计算

一、总钥匙:n(e⁻) 处处相等

串联电路中,通过各电解池的电子的物质的量相同(同一股电流)。计算固定四步:① 写出各池两极的电极反应式,标清「每生成 1 mol 产物需几 mol e⁻」;② 从已知量求出 n(e⁻);③ 把这个 n(e⁻) 代入其他池求未知量;④ 用 Q = I·t = n(e⁻)·F 与 F ≈ 96500 C/mol 做电量与物质的量的互换。不要分别算各池的电流,它们本来就是同一股。

二、题1 串联两池:由析出铜反推另一池

题目 两个电解池串联,均用惰性电极。甲池盛 CuSO₄ 溶液,乙池盛 AgNO₃ 溶液。通电一段时间后,甲池阴极析出 Cu 3.2 g。求:
(1) 乙池阴极析出 Ag 的质量;
(2) 甲池阳极放出气体在标准状况下的体积;
(3) 两池通过的电子的物质的量。

(相对原子质量:Cu 64,Ag 108;标准状况下气体摩尔体积 22.4 L/mol)

规范作答:先写两极反应式

甲池阴极:Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu;甲池阳极:4OH⁻ − 4e⁻ = O₂↑ + 2H₂O(即每 1 mol O₂ 需 4 mol e⁻)
乙池阴极:Ag⁺ + e⁻ = Ag;乙池阳极:同为 OH⁻ 放电生成 O₂。

(3) 先求电子(这是总入口) n(Cu) = 3.2/64 = 0.05 mol,由 Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu 得
n(e⁻) = 2 × 0.05 = 0.10 mol。

(1) 串联,乙池 n(e⁻) 同样为 0.10 mol;由 Ag⁺ + 1e⁻ = Ag 得 n(Ag) = 0.10 mol,
m(Ag) = 0.10 × 108 = 10.8 g。

(2) 甲池阳极每 4 mol e⁻ 生成 1 mol O₂,故 n(O₂) = 0.10/4 = 0.025 mol,
V(O₂) = 0.025 × 22.4 = 0.56 L(560 mL)。

验算 电子守恒:甲池阴极耗 0.10 mol e⁻、阳极放出 0.10 mol e⁻;乙池阴极耗 0.10 mol e⁻,三处一致 ✓。也可用「等电子当量」速算:m(Ag)/108×1 = m(Cu)/64×2 → m(Ag)=108×2×3.2/64=10.8 g ✓。

采分点 写出四个电极反应式(各1分,电子数是关键);由 Cu 求 n(e⁻)=0.10 mol(2分,本题总入口);指出串联 n(e⁻) 相等(1分);Ag 质量(2分);O₂ 体积(2分);单位与结论(1分)。

易错点 ① 忘记 Cu²⁺ 需 2e⁻,直接把 0.05 mol 当 n(e⁻)(全题皆错);② 以为两池电流不同、分别算;③ O₂ 按 2e⁻ 算(应为 4e⁻);④ 标况体积漏乘 22.4 或单位写错。

三、题2 由电流与时间求析出量

题目 用惰性电极电解 CuCl₂ 溶液,通入恒定电流 I = 2.0 A,通电 t = 965 s。求:
(1) 通过的电量 Q 与电子的物质的量;
(2) 阴极析出 Cu 的质量;
(3) 阳极放出 Cl₂ 在标准状况下的体积。(F = 96500 C/mol,Cu 64)

(1) 规范作答 Q = I t = 2.0 × 965 = 1930 C;
n(e⁻) = Q/F = 1930/96500 = 0.020 mol。

(2) 阴极 Cu²⁺ + 2e⁻ = Cu,n(Cu) = 0.020/2 = 0.010 mol,
m(Cu) = 0.010 × 64 = 0.64 g。

(3) 阳极 2Cl⁻ − 2e⁻ = Cl₂↑,n(Cl₂) = 0.020/2 = 0.010 mol,
V(Cl₂) = 0.010 × 22.4 = 0.224 L(224 mL)。

验算 总反应 CuCl₂ = Cu + Cl₂(通电),n(Cu) : n(Cl₂) = 1 : 1,本题 0.010 : 0.010 ✓ 符合化学计量数。另可反推 Q:0.020 mol × 96500 C/mol = 1930 C ✓。

采分点 Q = It(1分);n(e⁻)=Q/F(2分,写出公式本身有分);两极反应式(各1分);Cu 质量(2分);Cl₂ 体积(2分);单位(1分)。

易错点 ① 把 F 当 96500 C 而不是 96500 C/mol(单位口径写错);② 忘记时间单位必须是秒;③ 电子数换算用错(Cu 与 Cl₂ 都是 2e⁻,本题恰好相同,若换成 Ag 或 O₂ 就不同);④ 标况体积算成 2.24 L(小数点错位)。

四、题3 电解后溶液 pH 与浓度综合

题目 用惰性电极电解 100 mL 0.50 mol/L 的 CuSO₄ 溶液,通电至阴极析出 0.64 g Cu 后停止(溶液体积变化忽略不计)。求:
(1) 电解后溶液中 CuSO₄ 的物质的量浓度;
(2) 溶液中生成的 H₂SO₄ 的物质的量浓度;
(3) 溶液中 H⁺ 浓度(按 H₂SO₄ 完全电离计)与 pH 的近似值。(Cu 64,lg2 ≈ 0.30)

总反应(先写,避免逐项猜):2CuSO₄ + 2H₂O = 2Cu + O₂↑ + 2H₂SO₄(通电),即每析出 1 mol Cu,消耗 1 mol CuSO₄、生成 1 mol H₂SO₄。

(1) n(Cu) = 0.64/64 = 0.010 mol → 消耗 CuSO₄ 0.010 mol。
初始 n(CuSO₄) = 0.100 L × 0.50 mol/L = 0.050 mol,剩余 = 0.050 − 0.010 = 0.040 mol。
c(CuSO₄) = 0.040/0.100 = 0.40 mol/L。

(2) n(H₂SO₄) = 0.010 mol,c(H₂SO₄) = 0.010/0.100 = 0.10 mol/L。

(3) 按 H₂SO₄ 完全电离:c(H⁺) = 2 × 0.10 = 0.20 mol/L;
pH = −lg(0.20) = −lg(2×10⁻¹) = 1 − lg2 ≈ 1 − 0.30 = 0.70。

验算 电子守恒:析出 0.010 mol Cu 需 0.020 mol e⁻,阳极对应生成 O₂ 0.020/4 = 0.005 mol;由总反应 2Cu : 1O₂ = 0.010 : 0.005 ✓。另由阳极式 2H₂O − 4e⁻ = O₂ + 4H⁺,0.020 mol e⁻ 生成 0.020 mol H⁺,即 c(H⁺)=0.020/0.100=0.20 mol/L ✓ 与 (3) 一致。

采分点 总反应式(2分);初始物质的量(1分);由 Cu 求消耗量(1分);(1) 0.40 mol/L(2分);(2) 0.10 mol/L(2分);(3) c(H⁺)=0.20 mol/L 与 pH≈0.70(2分);电子守恒验算(1分)。

易错点 ① 忘记 H₂SO₄ 是二元酸,把 c(H⁺) 写成 0.10 mol/L;② 用总反应里 2 : 2 的系数误算成「生成 H₂SO₄ 是 Cu 的一半」;③ 忽略「体积变化忽略」而去做体积修正;④ pH 计算把 −lg0.2 算成 1.30(应为 0.70)。

五、电化学计算清单

  • □ 第一件事:写出各池电极反应式并标清每个产物对应几 mol e⁻;
  • □ 串联电路 n(e⁻) 处处相等,绝不分别算电流;
  • □ 电量换算:Q = It = n(e⁻)·F,F ≈ 96500 C/mol,t 用秒;
  • □ 常用电子数:Cu²⁺→Cu 2e⁻、Ag⁺→Ag 1e⁻、2Cl⁻→Cl₂ 2e⁻、4OH⁻→O₂ 4e⁻、2H⁺→H₂ 2e⁻;
  • □ 电解 CuSO₄ 总反应记牢:2CuSO₄+2H₂O=2Cu+O₂↑+2H₂SO₄,Cu 与 H₂SO₄ 是 1:1;
  • □ 算 pH 先数清几元酸、是否完全电离;阳极式生成的 H⁺ 可作独立验算;
  • □ 结果带单位,标况用 22.4 L/mol 并注明;
  • □ 收尾用电子守恒或总反应计量数回验一次。

电化学计算题的数据再多,也只是同一股电子在不同池里换了几种产物。抓住 n(e⁻) 这一条线,三问就成了一问。

编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》:电解规律、电子守恒与电量计算相关内容
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(化学科)》:电化学基础考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目条件、数据与解析为按常见考点编写的教研整理,非官方试题与官方评分标准

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