電化學(xué)原理綜合應(yīng)用與設(shè)計試題一、選擇題下列物質(zhì)中，屬于電解質(zhì)的是：A.氯化鈉溶液B.氫氧化鈉C.氯化氫D.氯化鉀固體解析：電解質(zhì)是在水溶液或熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電的化合物。氫氧化鈉在水中可完全電離為Na?和OH?，屬于強(qiáng)電解質(zhì)；氯化氫雖為共價化合物，但溶于水后能電離出H?和Cl?，屬于電解質(zhì)；氯化鉀固體在熔融狀態(tài)下可導(dǎo)電，也是電解質(zhì)。氯化鈉溶液是混合物，不屬于電解質(zhì)范疇。答案為B、C、D。在原電池中，下列哪個是正極反應(yīng)？A.2H?+2e?=H?↑B.Zn-2e?=Zn2?C.Fe3?+e?=Fe2?D.Cl?+2e?=2Cl?解析：原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，即得電子的反應(yīng)。選項A、C、D均為得電子的還原反應(yīng)，而B為失電子的氧化反應(yīng)（負(fù)極反應(yīng)）。答案為A、C、D。下列哪種腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕？A.鐵在潮濕空氣中生銹B.銅在海水中的腐蝕C.鋁在空氣中形成氧化膜D.鍍鋅鐵在酸性土壤中腐蝕解析：電化學(xué)腐蝕需形成原電池結(jié)構(gòu)。A項鐵與碳雜質(zhì)在潮濕環(huán)境中形成原電池，發(fā)生吸氧腐蝕；B項銅與海水中電解質(zhì)形成原電池；D項鋅-鐵在酸性環(huán)境中形成原電池，鋅作為犧牲陽極被腐蝕。C項鋁的氧化膜形成屬于化學(xué)腐蝕，無電流產(chǎn)生。答案為A、B、D。關(guān)于電解池的說法正確的是：A.陽極發(fā)生氧化反應(yīng)B.陰極發(fā)生還原反應(yīng)C.電子從電源負(fù)極流向電解池陰極D.離子交換膜可控制電解質(zhì)溶液中離子遷移方向解析：電解池中，陽極與電源正極相連，發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極與電源負(fù)極相連，發(fā)生還原反應(yīng)。電子從電源負(fù)極流向陰極，再通過電解質(zhì)溶液中的離子遷移形成閉合回路。離子交換膜（如陽離子交換膜、陰離子交換膜）可選擇性通過特定離子，用于分離或提純物質(zhì)。答案為A、B、C、D。下列電化學(xué)裝置中，能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的是：A.鋅銅原電池B.鉛酸蓄電池充電過程C.氫氧燃料電池D.電解飽和食鹽水裝置解析：原電池和燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，而電解池（如B、D項）是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。答案為A、C。二、填空題在原電池中，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極稱為負(fù)極，發(fā)生還原反應(yīng)的電極稱為正極；電子從負(fù)極流向正極，電流方向則相反。電解精煉銅時，粗銅作陽極，純銅作陰極，電解質(zhì)溶液為硫酸銅溶液。陽極的主要反應(yīng)為Cu-2e?=Cu2?，陰極反應(yīng)為Cu2?+2e?=Cu。金屬電化學(xué)腐蝕的兩種主要類型是吸氧腐蝕和析氫腐蝕。在中性或弱酸性環(huán)境中，鋼鐵主要發(fā)生吸氧腐蝕，正極反應(yīng)式為O?+2H?O+4e?=4OH?；在酸性較強(qiáng)環(huán)境中，則發(fā)生析氫腐蝕，正極反應(yīng)式為2H?+2e?=H?↑。鉛酸蓄電池放電時的總反應(yīng)為Pb+PbO?+2H?SO?=2PbSO?+2H?O，其中負(fù)極材料是Pb，正極反應(yīng)式為PbO?+4H?+SO?2?+2e?=PbSO?+2H?O。離子交換膜在電化學(xué)裝置中具有重要作用。在氯堿工業(yè)的電解池中，陽離子交換膜只允許Na?通過，阻止Cl?和OH?混合反應(yīng)；在銅鋅原電池中，使用鹽橋可避免兩種電解質(zhì)溶液直接接觸，同時維持電荷平衡。三、簡答題簡述原電池與電解池的異同點。原電池和電解池均基于氧化還原反應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，但本質(zhì)不同。原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，電子由負(fù)極經(jīng)外電路流向正極。電解池則是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的裝置，需外接電源驅(qū)動非自發(fā)反應(yīng)，陽極與電源正極相連發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極與電源負(fù)極相連發(fā)生還原反應(yīng)，電子由電源負(fù)極流向電解池陰極。兩者均通過電解質(zhì)溶液或熔融電解質(zhì)實現(xiàn)離子遷移，形成閉合回路。分析電化學(xué)腐蝕的防護(hù)方法及其原理。電化學(xué)腐蝕防護(hù)主要有三類方法：陰極保護(hù)法：將被保護(hù)金屬與更活潑金屬（如鋅、鎂）連接，形成原電池，活潑金屬作負(fù)極被腐蝕，被保護(hù)金屬作正極避免腐蝕（如鍍鋅鐵）；或外接直流電源，使被保護(hù)金屬作陰極，抑制其失電子。陽極保護(hù)法：對可鈍化金屬（如鋁、不銹鋼）施加陽極電流，使其表面形成致密氧化膜，阻止進(jìn)一步腐蝕。隔絕法：通過涂漆、電鍍、覆蓋搪瓷等物理方法隔絕金屬與電解質(zhì)溶液接觸，如汽車車身噴漆、鐵鍋鍍鋅等。解釋燃料電池的工作原理，并舉例說明其應(yīng)用。燃料電池是一種將燃料（如氫氣、甲烷、甲醇）與氧化劑（如氧氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，反應(yīng)產(chǎn)物主要為水和二氧化碳，清潔高效。以氫氧燃料電池為例，其工作原理為：負(fù)極通入氫氣，發(fā)生氧化反應(yīng)（H?-2e?=2H?）；正極通入氧氣，發(fā)生還原反應(yīng)（O?+4H?+4e?=2H?O）；電解質(zhì)溶液可為酸性或堿性，離子通過電解質(zhì)遷移形成電流。燃料電池廣泛應(yīng)用于新能源汽車（如豐田Mirai氫燃料電池車）、分布式發(fā)電站及航天器供電系統(tǒng)。如何通過實驗測定金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢？測定金屬標(biāo)準(zhǔn)電極電勢需以標(biāo)準(zhǔn)氫電極為參比電極（規(guī)定其電勢為0V），與待測金屬電極組成原電池。具體步驟：①制備標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的待測電極（金屬單質(zhì)與1mol/L該金屬離子溶液接觸）；②將標(biāo)準(zhǔn)氫電極（鉑片上吸附氫氣，通入101kPaH?，浸入1mol/LH?溶液）與待測電極通過鹽橋連接；③用導(dǎo)線連接兩電極，插入電位計測定電池電動勢；④根據(jù)E池=E正-E負(fù)計算待測電極電勢。若待測金屬為負(fù)極，則其電極電勢為負(fù)值；若為正極，則為正值。四、計算題鋅銅原電池的電動勢計算已知鋅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢E°(Zn2?/Zn)=-0.76V，銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢E°(Cu2?/Cu)=+0.34V。計算該原電池的標(biāo)準(zhǔn)電動勢，并寫出電池總反應(yīng)式。解：原電池中，電極電勢高的為正極，低的為負(fù)極。故銅為正極，鋅為負(fù)極。標(biāo)準(zhǔn)電動勢E°池=E°正-E°負(fù)=0.34V-(-0.76V)=1.10V。負(fù)極反應(yīng)：Zn-2e?=Zn2?（氧化反應(yīng)）；正極反應(yīng)：Cu2?+2e?=Cu（還原反應(yīng)）?？偡磻?yīng)式：Zn+Cu2?=Zn2?+Cu。電解精煉銅的質(zhì)量變化計算以粗銅為陽極、純銅為陰極電解硫酸銅溶液，通入電流強(qiáng)度為2A，通電時間為10小時。計算陰極上析出銅的質(zhì)量（已知銅的摩爾質(zhì)量為64g/mol，法拉第常數(shù)F=96500C/mol）。解：根據(jù)法拉第電解定律，析出物質(zhì)的質(zhì)量m=(I·t·M)/(n·F)，其中I為電流（A），t為時間（s），M為摩爾質(zhì)量（g/mol），n為轉(zhuǎn)移電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。電流I=2A，時間t=10h=36000s，銅的n=2（Cu2?+2e?=Cu），M=64g/mol。代入公式：m=(2A×36000s×64g/mol)/(2×96500C/mol)≈(4608000)/(193000)≈23.87g。故陰極析出銅的質(zhì)量約為23.9g。電化學(xué)反應(yīng)速率計算在某電解池中，反應(yīng)物A的初始濃度為0.1mol/L，經(jīng)過5分鐘后濃度降至0.05mol/L。若反應(yīng)為一級反應(yīng)，計算其反應(yīng)速率常數(shù)k，并預(yù)測10分鐘后A的濃度。解：一級反應(yīng)的積分速率方程為ln(c?/c?)=kt，其中c?為初始濃度，c?為t時刻濃度，k為速率常數(shù)。已知c?=0.1mol/L，t=5min時c?=0.05mol/L，代入得：ln(0.1/0.05)=k×5min→ln2=5k→k=ln2/5≈0.1386min?1。10分鐘后，ln(0.1/c??)=0.1386min?1×10min=1.386→0.1/c??=e1.3??≈4→c??=0.025mol/L。五、實驗題實驗設(shè)計：鋅銅原電池工作原理驗證實驗?zāi)康模禾骄吭姵氐臉?gòu)成條件及電子轉(zhuǎn)移方向。實驗器材：鋅片、銅片、稀硫酸（1mol/L）、導(dǎo)線、電流計、燒杯、鹽橋（含KCl瓊脂）。實驗步驟：組裝簡易原電池：在兩個燒杯中分別加入20mL稀硫酸，將鋅片和銅片分別浸入其中，用導(dǎo)線連接兩金屬片，中間串聯(lián)電流計。觀察電流計指針偏轉(zhuǎn)方向及電極表面現(xiàn)象。添加鹽橋：取出導(dǎo)線，在兩燒杯間插入鹽橋，重新連接電路，觀察電流計指針是否偏轉(zhuǎn)及持續(xù)時間變化?？刂谱兞框炞C：更換銅片為石墨棒，重復(fù)步驟1，觀察現(xiàn)象；將稀硫酸換為乙醇，重復(fù)步驟1，觀察現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象與結(jié)論：步驟1中，電流計指針偏轉(zhuǎn)（鋅片為負(fù)極，銅片為正極），銅片表面產(chǎn)生氣泡（H?得電子生成H?），鋅片逐漸溶解，說明原電池可產(chǎn)生電流；步驟2中，加入鹽橋后電流持續(xù)時間延長，因為鹽橋通過K?、Cl?遷移維持電荷平衡，避免鋅片直接與H?反應(yīng)；步驟3中，石墨棒作正極時仍有電流產(chǎn)生（石墨為惰性電極），而乙醇為非電解質(zhì)，無法導(dǎo)電，電流計指針不偏轉(zhuǎn)，證明原電池需電解質(zhì)溶液和活動性不同的電極。實驗分析：金屬電化學(xué)腐蝕影響因素探究實驗任務(wù)：比較不同條件下鐵釘?shù)母g速率。實驗方案：|實驗組|實驗條件（鐵釘+試劑）|觀察現(xiàn)象（24小時后）|腐蝕類型||--------|-----------------------|----------------------|----------||1|蒸餾水（密封）|無明顯變化|化學(xué)腐蝕（極慢）||2|稀鹽酸（敞口）|鐵釘溶解，產(chǎn)生氣泡|析氫腐蝕||3|氯化鈉溶液（敞口）|鐵釘表面生銹，溶液呈紅褐色|吸氧腐蝕||4|鐵釘與鋅片接觸，浸入氯化鈉溶液|鋅片溶解，鐵釘無銹|陰極保護(hù)|結(jié)論：金屬腐蝕速率受環(huán)境影響顯著，酸性條件下析氫腐蝕為主，中性/弱堿性條件下吸氧腐蝕為主；與活潑金屬接觸可抑制腐蝕，驗證了犧牲陽極保護(hù)法的有效性。六、論述題電化學(xué)原理在環(huán)境保護(hù)中的綜合應(yīng)用電化學(xué)技術(shù)因其高效、可控性強(qiáng)等特點，在污染治理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要體現(xiàn)在以下方面：工業(yè)廢水處理通過電解氧化法去除廢水中的有機(jī)物（如酚類、染料），陽極產(chǎn)生的·OH自由基具有強(qiáng)氧化性，可將污染物礦化為CO?和H?O；電解還原法可處理重金屬離子（如Cr??、Hg2?），在陰極將其還原為低價態(tài)或單質(zhì)沉淀分離，如Cr??→Cr3?后生成Cr(OH)?沉淀。電滲析技術(shù)利用離子交換膜分離廢水中的鹽類，實現(xiàn)海水淡化和高鹽廢水資源化。大氣污染治理電化學(xué)法可處理NO?、SO?等氣態(tài)污染物。例如，采用固體電解質(zhì)燃料電池，在陽極將SO?氧化為SO?，再與水反應(yīng)生成硫酸；陰極還原NO?為N?，實現(xiàn)污染物的資源化回收。此外，電催化氧化技術(shù)可降解VOCs（揮發(fā)性有機(jī)物），通過電極表面催化劑（如TiO?）產(chǎn)生活性物種，將有機(jī)物分解為無害物質(zhì)。土壤重金屬修復(fù)電動修復(fù)技術(shù)是土壤重金屬污染治理的重要手段：在污染土壤中插入陽極和陰極，施加直流電場，重金屬離子在電場作用下向電極遷移，通過電解沉淀或離子交換膜富集去除。該方法適用于低滲透性土壤，對Pb2?、Cd2?、Cu2?等去除效率可達(dá)80%以上，且對土壤結(jié)構(gòu)破壞小。電化學(xué)技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用不僅提高了污染治理效率，還推動了“變廢為寶”的資源化理念，如燃料電池發(fā)電、電解水制氫等技術(shù)，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供了重要支撐。未來，結(jié)合納米材料、智能控制等技術(shù)，電化學(xué)污染治理將向低能耗、高效率、智能化方向發(fā)展。七、綜合應(yīng)用題題目：基于電化學(xué)原理的海水淡化與制氫一體化裝置設(shè)計背景：全球水資源短缺與能源危機(jī)促使開發(fā)新型海水綜合利用技術(shù)。某研究團(tuán)隊擬設(shè)計一套裝置，通過電解實現(xiàn)海水淡化、氫氣制備及氯堿副產(chǎn)品生產(chǎn)。設(shè)計要求：裝置需包含電解池、離子交換膜、電極材料等核心組件；寫出各電極的主要反應(yīng)式，說明離子遷移方向；分析該裝置的優(yōu)勢及潛在問題。參考答案：裝置組成：采用三室電解池，左側(cè)為陽極室（海水入口），右側(cè)為陰極室（淡水出口），中間為產(chǎn)品室；陽極選用鈦基涂層電極（耐Cl?腐蝕），陰極選用鎳網(wǎng)電極；陽極室與中間室間設(shè)陰離子交換膜（允許Cl?通過），中間室與陰極室間設(shè)陽離子交換膜（允許Na?通過）。工作原理：陽極反應(yīng)：2Cl?-2e?=Cl?↑（生成Cl?，可用于消毒或制鹽酸）；陰極反應(yīng)：2H?O+2e?=H?↑+2OH?（生成H?和NaOH）；離子遷移：Cl?通過陰離子交換膜進(jìn)入中間室，Na?通過陽離子交換膜進(jìn)入陰極室，中間室形成N