2025年电解与极化作用试卷一及答案

2025年电解与极化作用试卷一及答案一、单项选择题（每题3分，共24分）1.电解池中实际分解电压与理论分解电压的主要差异源于（）A.溶液电阻引起的IR降B.电极表面的极化现象C.离子迁移速率的限制D.电解质浓度的不均匀2.下列关于超电势的描述中，错误的是（）A.超电势η=φ（实际）-φ（平衡）（阳极取正，阴极取负）B.氢在汞电极上的超电势远高于在铂电极上的超电势C.增大电极表面粗糙度可降低电化学极化超电势D.浓差极化超电势随搅拌强度增大而减小3.25℃时电解1mol·dm⁻³ZnCl₂溶液（pH=4），若阴极仅析出Zn，需满足的条件是（已知φ°(Zn²⁺/Zn)=-0.762V，φ°(H⁺/H₂)=0V，η(H₂,阴极)=0.6V，忽略液接电势和IR降）（）A.φ(Zn²⁺/Zn)>φ(H⁺/H₂,实际)B.φ(Zn²⁺/Zn,平衡)>φ(H⁺/H₂,平衡)C.φ(Zn²⁺/Zn,实际)>φ(H⁺/H₂,实际)D.φ(Zn²⁺/Zn,实际)<φ(H⁺/H₂,实际)4.电解NaCl水溶液时，阳极优先析出Cl₂而非O₂的主要原因是（）A.Cl⁻浓度高于OH⁻浓度B.O₂在阳极的超电势远大于Cl₂的超电势C.φ°(Cl₂/Cl⁻)<φ°(O₂/OH⁻)D.溶液pH影响O₂的析出电势5.关于极化曲线的描述，正确的是（）A.阳极极化曲线随电流密度增大而电势降低B.阴极极化曲线随电流密度增大而电势升高C.实际分解电压对应两电极极化曲线的交点电势差D.平衡电势差等于两电极平衡电势的代数和6.法拉第电解定律的适用条件是（）A.仅适用于可逆电解过程B.仅适用于不可逆电解过程C.与电解过程的可逆性无关D.仅适用于水溶液体系7.下列措施中，不能有效降低浓差极化的是（）A.升高电解液温度B.增大电极表面积C.加强溶液搅拌D.降低电流密度8.电解精炼铜时，阳极溶解的杂质金属中，优先于Cu溶解的是（已知φ°(Ni²⁺/Ni)=-0.25V，φ°(Ag⁺/Ag)=0.80V，φ°(Cu²⁺/Cu)=0.34V）（）A.NiB.AgC.两者均优先D.两者均不优先二、填空题（每空2分，共20分）1.极化作用导致阳极的实际电势比平衡电势______（填“高”或“低”），阴极的实际电势比平衡电势______（填“高”或“低”）。2.超电势的主要类型包括______极化超电势和______极化超电势，其中前者与电极反应的动力学阻力相关，后者与离子扩散速率相关。3.实际分解电压的计算公式为V分解=______+η阳+η阴+IR，其中η阳为阳极超电势（取正值），η阴为阴极超电势（取绝对值）。4.电解CuSO4溶液时，若阳极材料为Pt，则阳极反应为______；若阳极材料为Cu，则阳极反应为______。5.根据法拉第定律，通过1F电量（96485C）时，可析出______mol的Cu（Cu²⁺+2e⁻→Cu）或______mol的H₂（2H⁺+2e⁻→H₂）。三、简答题（每题8分，共32分）1.简述浓差极化与电化学极化的产生原因及主要区别。2.超电势对电解过程的影响具有两面性，请举例说明其有利和不利之处。3.如何通过实验测定电极的极化曲线？需控制哪些关键实验条件？4.电解NaCl水溶液时，若阴极采用汞电极（氢超电势高），阳极采用石墨电极（氯超电势低），分析可能的电解产物及原因。四、计算题（每题11分，共44分）1.25℃时，电解0.1mol·dm⁻³CuSO4溶液（pH=3），已知φ°(Cu²⁺/Cu)=0.34V，φ°(O₂/H₂O)=1.23V，η(O₂,阳极)=0.45V，η(H₂,阴极)=0.50V（假设Cu析出无超电势），溶液电阻R=0.5Ω，电流密度j=0.1A·cm⁻²，电极面积A=100cm²。计算：（1）阴极的平衡电势φ(Cu²⁺/Cu,平衡)；（2）阳极的平衡电势φ(O₂/H₂O,平衡)；（3）实际分解电压V分解（忽略液接电势）。2.以Pt为电极电解1mol·dm⁻³ZnSO4溶液（pH=5），已知φ°(Zn²⁺/Zn)=-0.762V，φ°(H⁺/H₂)=0V，η(Zn,阴极)=0.10V（还原超电势，取负值），η(H₂,阴极)=0.70V，溶液中Zn²⁺活度系数γ=0.85。判断阴极优先析出Zn还是H₂（需计算两者的实际析出电势）。3.用0.5A的电流电解AgNO3溶液，通电2小时后，阴极析出Ag的质量为多少？若同时电解CuSO4溶液（电流相同，时间相同），阴极析出Cu的质量是Ag的多少倍？（M(Ag)=107.87g·mol⁻¹，M(Cu)=63.55g·mol⁻¹，F=96485C·mol⁻¹）4.某电解池在电流密度j=100mA·cm⁻²时，阳极超电势η阳=0.3V，阴极超电势η阴=0.2V，溶液电阻R=0.2Ω，电极面积A=50cm²。若理论分解电压V理论=1.5V，计算实际需要的外加电压V外，并说明各部分电压的分配比例。答案一、单项选择题1.B2.C3.A4.B5.C6.C7.B8.A二、填空题1.高；低2.电化学；浓差3.V理论（或平衡电势差）4.2H₂O→O₂↑+4H⁺+4e⁻；Cu→Cu²⁺+2e⁻5.0.5；1三、简答题1.浓差极化由电极表面与溶液本体的离子浓度差异引起（如阴极附近阳离子被还原，浓度降低，需扩散补充），特征是可通过搅拌或升高温度减弱；电化学极化由电极反应的动力学阻力（如电子转移步骤慢）引起，特征是与电极材料、表面状态密切相关，降低电流密度可减弱。2.不利：超电势增大实际分解电压，增加能耗（如电解水制氢时，高氢超电势需更高电压）；有利：利用超电势实现选择性电解（如电解Zn²⁺溶液时，氢超电势高可抑制H₂析出，确保Zn优先沉积）。3.实验方法：控制电流密度（恒电流法）或电势（恒电势法），测量对应的电极电势（相对于参比电极）。关键条件：保持温度恒定、溶液均匀（避免浓差极化干扰）、使用鲁金毛细管减小IR降、选择合适的参比电极（如甘汞电极）。4.阴极：Hg电极氢超电势高，H⁺还原电势显著降低（φ(H⁺/H₂,实际)=φ(平衡)-η≈(0-0.059×5)-0.7≈-0.995V），而Zn²⁺还原电势（假设无Zn时）更低，但NaCl溶液中主要阳离子为Na⁺（φ°=-2.71V），故阴极可能析出Hg-Na合金（钠汞齐）；阳极：Cl⁻浓度高且Cl₂超电势低，优先于O₂析出（φ(Cl₂/Cl⁻,实际)=φ°(Cl₂/Cl⁻)-0.059lg(1/[Cl⁻])+η≈1.36-0+0.1=1.46V，而O₂析出电势≈1.23+0.45=1.68V），故阳极产物为Cl₂。四、计算题1.（1）φ(Cu²⁺/Cu,平衡)=φ°+0.059/2lg[Cu²⁺]=0.34+0.0295×lg0.1=0.34-0.0295=0.3105V（2）φ(O₂/H₂O,平衡)=φ°+0.059/4lg([H⁺]^4p(O₂)/p°)（p(O₂)=1atm）=1.23+0.059×lg(10⁻³)=1.23-0.177=1.053V（3）IR=j×A×R=0.1A·cm⁻²×100cm²×0.5Ω=5V（注意单位转换：j=0.1A·cm⁻²=1000A·m⁻²，A=0.01m²，I=j×A=10A，IR=10A×0.5Ω=5V）V分解=（φ阳,实际-φ阴,实际）+IR=（φ阳,平衡+η阳）-（φ阴,平衡-η阴）+IR（注：阴极超电势η阴=φ平衡-φ实际，故φ实际=φ平衡-η阴）此处Cu析出无超电势，η阴=0，故φ阴,实际=0.3105V；φ阳,实际=1.053+0.45=1.503VV分解=(1.503-0.3105)+5=1.1925+5=6.1925V（约6.19V）2.φ(Zn²⁺/Zn,实际)=φ°+0.059/2lg(a(Zn²⁺))+η(Zn)（η为还原超电势，取负值）a(Zn²⁺)=γ×c=0.85×1=0.85φ(Zn,实际)=-0.762+0.0295×lg0.85-0.10≈-0.762-0.0023-0.10=-0.8643Vφ(H⁺/H₂,实际)=φ°+0.059lg[H⁺]-η(H₂)=0+0.059×(-5)-0.70=-0.295-0.70=-0.995V因φ(Zn,实际)>φ(H₂,实际)（-0.8643V>-0.995V），故Zn优先析出。3.Q=I×t=0.5A×2×3600s=3600Cn(Ag)=Q/(zF)=3600/(1×96485)≈0.0373molm(Ag)=n×M=0.0373×107.87≈4.02g电解CuSO4时，z=2，n(Cu)=Q/(2F)=3600/(2×96485)=0.01865mol