氧化还原反应及电化学-例题解析.doc

第十四讲 氧化还原反应及电化学【例题解析】【例1】(2005年江苏省化学竞赛夏令营选拔赛试题)铝是一种重要的金属材料，广泛用于制作导线、结构材料和日用器皿，铝合金大量用于飞机和其它构件的制造。十九世纪曾以电解熔融氧化铝的方法制备金属铝，当时铝由于价格昂贵而只被贵族用作装饰品。现代工业上是通过在1000左右的高温下电解氧化铝和冰晶石(Na3AlF6)的熔融液制备铝的。请回答下列问题：(1) 现代工业电解制备铝过程中正极和负极实际发生的反应分别为： 在正极放电产生 ； 在负极放电产生 。(2) 电解反应方程式为 。(3) 以现代工业方法制备的铝价格下降的可能原因是： 。(4) 若电流效率为75，则制备1kg金属铝需以10A电流电解 小时。(5) 电解NaClAlCl3熔融液制备铝比电解Al2O3Na3AlF6的熔融液制备铝节省电能约30，为什么现在仍用后一种方法制备铝? 。【解析】 (1) O2 O2 Al3+ Al (2) (3) 纯氧化铝熔点很高(2000)，加入Na3AlF6后由于形成共熔体使其熔点大大降低，从而使制备铝成本降低 (4) 397(5) 由于AlCl3没有天然矿藏，制备AlCl3所需氯气仍需电解制得，电能没有省下。【例2】(2006年江苏省化学竞赛夏令营选拔赛试题)锂离子电池、金属氢化物-镍电池(MH-Ni)、无水碱性锌-锰电池、燃料电池、太阳能电池等是21世纪理想的绿色环保电源。其中液态锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正负电极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用碳电极，充电后成为锂-碳层间化合物LixC6(0x1)，电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等的有机溶液。（1）在电池放电时，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。写出该电池的充放电反应方程式： （2）金属锂放电容量(3861mAhg-1)最大。其中mAh的意思是指用1毫安(mA)的电流放电1小时(h)。则：理论上LiMn2O4的放电容量是 mAhg-1。答案：（1）LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6 （2）38616.94 (6.94+54.942+164) =148.2 (mAhg-1)【例3】（第22届全国高中学生化学竞赛（决赛）理论试题） 金在自然界中主要以分散的单质形式存在，需要先富集再提炼。富集后的精矿用混汞法、氰化法等工艺提取金。混汞法是使矿浆中的金粒与汞生成金汞齐，然后蒸去汞得到海绵金（又称汞金）。氰化法是在氧化剂（如空气或O2）存在下，用可溶性氰化物（如NaCN）溶液浸出矿石中的金（浸出产物为Au(CN)2-）,再用置换法或电沉积法从浸出液中回收金。（1）写出氰化物溶金反应和用Zn粉置换金的化学反应方程式。（2）已知Ey（O2/H2O）= 1.229 V，Ey（Au+/ Au）= 1.69 V，Kay (HCN)=4.9310-10,2(Au(CN)2-)=2.0010-38, F = 96485 JV-1mol-1。设配置的NaCN水溶液的浓度为1.0010-3 molL-1、生成的Au(CN)2-配离子的浓度为1.0010-4 molL-1、空气中O2的体积分数为0.210，计算298K时在空气中溶金反应的自由能变。（3）当电极反应中有H+离子或OH-离子时，其电极电势E将受pH的影响，E-pH图体现了这种影响。E-pH图上有三种类型的线：电极反应的E与pH值有关，为有一定斜率的直线；电极反应的E与pH值无关，是一条平行于横坐标的直线；非氧化还原反应，是一条平行于纵坐标的直线。电对的E-pH线的上方，是该电对的氧化型的稳定区，E-pH线的下方，是还原型的稳定区；位于高位置线的氧化型易与低位置线的还原型反应；各曲线的交点所处的E和pH值，是各电极的氧化型和还原型共存的条件。右图是氰化法溶金过程的Au-CN-H2O系统的E-pH图，是借助该图对溶金反应和溶金的工艺条件进行讨论。【解析】 (1) 4Au+8CN+O2+2H2O4Au(CN)2+4OH 2Au(CN)2+Zn2Au+ZN(CN)42 (2) 由 CN水解， CN+H2OHCN+OH CN + H2O HCN + OH(10-3-210-4)-x x x+10-4 CN=(CN) -2Au(CN)2 - HCN 生成的Au(CN)2-的浓度为1.0010-4 molL-1x =8.0810-5 （molL-1） OH=H+=（molL-1）根据溶液的H+算出E(O2/H2O)：已知(O2/H2O)=1.229V 有O2+4e+4H+2H2OE(O2/H2O)=(O2/H2O)+(0.0591/4)VlgH+4p(O2)/ =1.229V+(0.0591/4)V lg(5.5210-11)40.210 =0.616V由于Au+生成了Au(CN)2，电对Au+/Au的电极电势将发生变化：已知(Au+/Au)=1.69V Au+ eAu （a） (Au(CN)2)=2.001038 Au+2CNAu(CN)2 (b) Au(CN)2+ e Au+2CN (c) 由于(a)-(b) = (c)， /=， lg-lg=lg/0.0591-38.3=/0.05911.69/0.0591-38.3=/0.0591=1.690V-38.30.0591V = -0.0574V =+0.0591VlgAu(CN)2/(CN)2 =-0.574V+0.0591Vlg 10-4/(7.1910-4)2 = -0.438V 其中 CN=(CN) - HCN-2Au(CN)2 =1.0010-3-8.0810-5-21.0010-4 =7.1910-4（molL-1）或者CN=(CN) - HCN-2Au(CN)2 =1.0010-3-8.0810-5-21.0010-4 =7.1910-4（molL-1）Au+ + 2CN = 2Au(CN)2Au+ 7.1910-4 1.0010-4Au+ = 9.6710-37（molL-1）E(Au+/ Au) = Ey(Au+/ Au) + 0.0591V lg Au+ =1.69V 0.0591V lg（9.6710-37） = -0.438V =-nFE=- -496.4850.616-(-0.436)= -407(kJmol-1) (3) 由图可见，氧化生成Au(CN)2的电极电势比氧化生成游离金离子的电极电势低很多（易氧化），所以氰化物是溶解金的良好溶剂（配合剂）。 线位于线之下，说明氧气可以把Au氧化成Au(CN)2。 线和线组成溶金原电池，其电动势是线和线的垂直距离，由图可见，在线的转折处，两线间的距离最大，对应的pH大约为9.2，电动势大约为1.1V。在pH约9.2的范围内，E(Au(CN)2/Au)随pH的升高而降低，虽然氧线也随pH增大而下降，但前者降低得快，后者降得慢，原电池电动势逐渐增大，说明在此范围内，提高pH对溶金有利；超过此范围，E(Au(CN)2/Au)几乎不随pH而变，氧线随pH增大而下降，原电池电动势减小，对溶金产生不利影响。【例4】（第24届全国高中学生化学竞赛试题） 在25和101.325 kPa下，向电解池通入0.04193 A的恒定电流，阴极（Pt，0.1 mol L-1 HNO3）放出氢气，阳极（Cu，0.1 mol L-1 NaCl）得到Cu2+。用0.05115 mol L-1的EDTA标准溶液滴定产生的Cu2+，消耗了53.12 mL。（1） 计算从阴极放出的氢气的体积。（2） 计算电解所需的时间(以小时为单位)。【解析】（1）阳极反应： Cu (s) Cu2+2e 阴极反应： H2Oe 1/2 H2(g)OH- 电池反应： Cu (s) 2H2O Cu2+ H2(g) 2OH- Cu2+与EDTA按1 : 1络合，因此，阴极放出的氢气的摩尔数等于阳极产生的Cu2+ 的摩尔数，即等于消耗的EDTA的摩尔数： 给定条件下的体积为 （2）生成66.48 mL氢气需2.717 mmol25.434 mmol电子，电解所需时间为 【综合训练】1. （第25届全国高中学生化学竞赛试题）已知E(FeO42-/Fe3+)=2.20 V，E(FeO42-/Fe(OH)3)=0.72 V。 (1)写出氯气和三氯化铁反应形成高铁酸根的离子方程式。（2）写出高铁酸钾在酸性水溶液中分解的离子方程式。（3）用高铁酸钾与