2025年电解与极化现象试卷二及答案

2025年电解与极化现象试卷二及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.关于极化现象的描述，正确的是（）A.极化仅发生在电解池的阳极B.浓差极化是由于电极表面与溶液本体的离子浓度差引起的C.电化学极化的本质是电极反应速率无限大D.去极化剂的作用是增大超电势2.某电解池中，阴极发生Cu²+还原反应（φ°=0.34V），若电流密度为100mA/cm²时，阴极超电势ηc=0.15V（以还原反应为正方向），则阴极的实际电势为（）A.0.49VB.0.19VC.-0.19VD.-0.49V3.以下因素中，对电化学极化超电势影响最小的是（）A.电极材料的表面粗糙度B.溶液中反应物的浓度C.电极反应的交换电流密度D.电解温度4.工业电解水制氢时，若使用Pt电极替代Ni电极，通常会观察到（）A.阳极超电势增大，析氧反应更难进行B.阴极超电势减小，析氢反应更容易C.分解电压显著升高D.电流效率下降5.关于分解电压的定义，正确的是（）A.理论分解电压等于原电池的电动势B.实际分解电压=理论分解电压+阳极超电势-阴极超电势C.分解电压是使电解过程持续进行所需的最小外加电压D.分解电压仅与电极材料有关6.某溶液中同时存在Zn²+（φ°=-0.76V）和Fe²+（φ°=-0.44V），当电解时（忽略浓差极化和超电势），优先在阴极析出的是（）A.ZnB.FeC.同时析出D.无法判断7.塔菲尔（Tafel）公式η=a+blgj中，b的物理意义是（）A.交换电流密度的对数值B.电极反应的电子转移数C.与电极材料和反应类型相关的常数D.电流密度的影响系数8.电解NaCl溶液时，阳极优先发生Cl⁻氧化（φ°=1.36V）而非OH⁻氧化（φ°=1.23V），主要原因是（）A.Cl⁻浓度更高B.OH⁻的超电势更大C.Cl⁻的扩散速率更快D.电极材料对Cl⁻的催化活性更高9.以下措施中，不能有效降低浓差极化的是（）A.提高溶液搅拌速率B.升高电解温度C.增大电极面积D.降低电流密度10.铅酸电池充电时，阳极反应为PbSO4转化为PbO2，若此时阳极电势超过水的分解电势（考虑超电势），则会伴随的副反应是（）A.H2析出B.O2析出C.SO4²-分解D.Pb溶解二、填空题（每空1分，共15分）1.极化现象导致电解池的阳极实际电势比平衡电势______（填“高”或“低”），阴极实际电势比平衡电势______（填“高”或“低”）。2.超电势的定义是______与______的差值的绝对值。3.浓差极化的动力学控制步骤是______，电化学极化的动力学控制步骤是______。4.电解CuSO4溶液时，若阴极电流密度增大，Cu的析出电势会______（填“升高”或“降低”），原因是______。5.工业上常用______法测量超电势，其中参比电极需满足______、______的特点。6.对于电极反应O+ne⁻→R，交换电流密度j0越大，说明电极反应的可逆性______（填“越好”或“越差”），此时电化学极化超电势______（填“越大”或“越小”）。7.若某电解过程的电流效率为90%，说明实际参与主反应的电量占总电量的______%，剩余电量可能消耗于______或______。三、简答题（每题6分，共30分）1.简述浓差极化与电化学极化的主要区别（从产生原因、影响因素、动力学特征三方面分析）。2.解释“超电势有利于金属电沉积的均匀性”这一现象的原理。3.电解精炼铜时，阳极溶解的杂质金属（如Fe、Zn）为何不会在阴极析出？（已知φ°(Cu²+/Cu)=0.34V，φ°(Fe²+/Fe)=-0.44V，φ°(Zn²+/Zn)=-0.76V）4.某工厂电解食盐水制Cl2时，发现阳极电流效率下降，可能的原因有哪些？5.说明温度对超电势的影响规律，并解释其原因。四、计算题（共25分）1.（8分）25℃时，电解0.1mol/L的ZnSO4溶液（pH=3，忽略离子活度系数），已知阴极超电势ηc=0.25V（以还原反应为正方向），阳极发生析氧反应，φ°(O2/H2O)=1.23V，ηa=0.40V（以氧化反应为正方向）。（1）计算阴极的平衡电势（φc,平衡）；（2）计算阳极的平衡电势（φa,平衡）；（3）计算实际分解电压（忽略溶液欧姆压降）。2.（9分）某电极反应的塔菲尔公式为η=0.85+0.12lgj（η单位为V，j单位为A/cm²），交换电流密度j0=1×10⁻⁶A/cm²。（1）当电流密度j=0.1A/cm²时，计算超电势η；（2）若电极面积为5cm²，通过总电流I=2A，计算此时的超电势；（3）解释塔菲尔公式中a和b的物理意义，并说明j0对a的影响。3.（8分）以Pt为电极电解1L0.5mol/L的AgNO3溶液，通以0.5A电流2小时，已知Ag的电流效率为95%，Ag的摩尔质量为107.87g/mol。（1）计算理论上应析出的Ag的质量；（2）计算实际析出的Ag的质量；（3）若电解后溶液体积不变，求溶液中Ag+的浓度（忽略水解）。五、综合分析题（10分）某企业采用电解法生产金属镁，原料为熔融MgCl2（含少量CaCl2杂质），电解槽工作温度700℃，阳极材料为石墨，阴极材料为钢。实际生产中发现：（1）阳极消耗速率比理论值快；（2）阴极析出的镁中含有少量钙。结合极化与电解原理，分析上述现象的原因，并提出改进措施。答案一、单项选择题1.B2.B3.B4.B5.C6.B7.C8.B9.C10.B二、填空题1.高；低2.实际电势；平衡电势3.反应物/产物的扩散过程；电极反应的电子转移步骤4.降低；阴极超电势随电流密度增大而增大（ηc为正值，实际电势=平衡电势-ηc）5.三电极（或恒电流/恒电势）；电势稳定；不参与电极反应6.越好；越小7.90；副反应（如析氢/析氧）；漏电三、简答题1.①产生原因：浓差极化由电极表面与溶液本体的浓度差引起；电化学极化由电极反应电子转移步骤的迟缓性引起。②影响因素：浓差极化受搅拌速率、温度、离子扩散系数影响；电化学极化受电极材料、反应活化能、交换电流密度影响。③动力学特征：浓差极化随电流密度增大而显著增加，可通过搅拌降低；电化学极化符合塔菲尔公式，与反应本身的动力学特性相关。2.金属电沉积时，若阴极表面电流密度分布不均，电流密度大的区域超电势更大，导致该区域的实际析出电势更低（φ实际=φ平衡-ηc），从而抑制电流密度过大处的沉积速率；而电流密度小的区域超电势较小，沉积速率相对加快，最终使沉积层趋于均匀。3.电解精炼铜时，阳极溶解的Fe²+、Zn²+进入溶液，其平衡电势（φ°(Fe²+/Fe)=-0.44V，φ°(Zn²+/Zn)=-0.76V）远低于Cu²+的平衡电势（0.34V）。由于阴极优先析出电势较高的金属，且Cu的析出超电势较小，因此Fe²+、Zn²+不会在阴极析出，而是留在溶液中。4.可能原因：①溶液中Cl⁻浓度降低（如未及时补充NaCl），导致浓差极化增大，阳极优先发生OH⁻氧化（析氧）；②阳极超电势增大（如电极表面结垢或活性降低），使Cl⁻氧化的竞争优势减弱；③电流密度过高，超过Cl⁻的极限扩散电流密度，导致副反应加剧；④温度过低，离子扩散速率减慢，浓差极化增强。5.温度升高，超电势通常减小。原因：①温度升高，离子扩散速率加快，浓差极化降低；②温度升高，电极反应的活化能降低，电子转移步骤的速率加快，电化学极化减小；③交换电流密度j0随温度升高而增大（根据阿伦尼乌斯公式），根据塔菲尔公式，当j0增大时，相同电流密度下的超电势η减小。四、计算题1.（1）阴极反应：Zn²++2e⁻→Znφc,平衡=φ°(Zn²+/Zn)+(0.0592/2)lg[Zn²+]=-0.76+(0.0592/2)lg0.1≈-0.76-0.0296≈-0.7896V（2）阳极反应：2H2O→O2+4H++4e⁻φa,平衡=φ°(O2/H2O)+(0.0592/4)lg[H+]^4=1.23+0.0592lg(10⁻³)=1.23-0.1776≈1.0524V（3）实际分解电压=（φa,平衡+ηa）-（φc,平衡-ηc）=（1.0524+0.40）-（-0.7896-0.25）=1.4524+1.0396≈2.492V2.（1）η=0.85+0.12lg0.1=0.85+0.12×(-1)=0.73V（2）j=I/A=2/5=0.4A/cm²η=0.85+0.12lg0.4≈0.85+0.12×(-0.3979)≈0.85-0.0478≈0.802V（3）a为j=1A/cm²时的超电势（与电极材料、反应类型、温度有关）；b为塔菲尔斜率（与电子转移数n、温度T有关，b≈2.303RT/(αnF)）。j0越小，a越大（因a=2.303RT/(αnF)×lg(j0)的相反数）。3.（1）电量Q=It=0.5×2×3600=3600C理论物质的量n=Q/(zF)=3600/(1×96485)≈0.0373mol理论质量m=0.0373×107.87≈4.02g（2）实际质量=4.02×95%≈3.82g（3）初始Ag+物质的量=0.5×1=0.5mol消耗的Ag+物质的量=0.0373×95%≈0.0354mol剩余Ag+浓度=(0.5-0.0354)/1≈0.4646mol/L五、综合分析题现象（1）原因：阳极发生Cl⁻氧化提供Cl2（C+2Cl⁻→Cl2↑+2e⁻），但石墨阳极在高温下会与O2（由少量H2O电解或MgO分解产生）反应提供CO/CO2，导致额外消耗；此外，电流密度过高时，阳极超电势增大，可能引发石墨的直接氧化，加速损耗。现象（2）原因：CaCl2杂质的存在使溶液中含有Ca²+，其平衡电势（φ°(Ca²+/Ca)=-2.87V）虽低于Mg²+（φ°(Mg²+/Mg)=-2.37V），但Mg的析出超电势可能较大（钢阴极对Mg的催化活性低），导