2026年电解与极化作用试卷及答案

2026年电解与极化作用试卷及答案一、选择题（每题2分，共20分）1.关于极化作用的描述，下列错误的是（）A.极化会导致实际分解电压高于理论分解电压B.阳极极化时，电极电势比平衡电势更正C.阴极极化时，电极电势比平衡电势更负D.浓差极化仅由电极表面与溶液本体的浓度差引起，与电极反应速率无关2.某电解池中，阴极发生金属离子还原反应，若电流密度增大，阴极超电势η的变化趋势是（）A.增大B.减小C.不变D.先增大后减小3.塔菲尔（Tafel）公式η=a+blgj中，参数b的物理意义是（）A.交换电流密度的对数值B.电流密度每增加10倍时超电势的变化量C.电极表面活性位点的数量D.溶液中离子的迁移数4.以下因素中，对电化学极化超电势影响最小的是（）A.电极材料的表面状态B.溶液温度C.离子在溶液中的扩散速率D.电极反应的电子转移数5.电解CuSO₄溶液（中性，Cu²+浓度0.1mol·dm⁻³）时，若阴极析出H₂的超电势为0.4V（相对于标准氢电极），则H₂实际析出的电极电势（25℃）为（）（已知φ°(Cu²+/Cu)=0.34V，φ°(H+/H₂)=0V，忽略浓差极化）A.-0.4VB.-0.236VC.-0.436VD.-0.6V6.浓差极化的本质是（）A.电极表面反应速率小于离子扩散速率B.电极表面反应速率大于离子扩散速率C.溶液中离子迁移数降低D.电极材料对离子的吸附能力下降7.工业电解食盐水制备Cl₂时，阳极选择钛基钌涂层电极而非铁电极，主要原因是（）A.钛的机械强度更高B.钌涂层可降低Cl₂析出的超电势，抑制O₂析出C.铁电极易被NaOH溶液腐蚀D.钛的导电性优于铁8.对于同一电极反应，当电流密度j1<j2时，对应的超电势η1和η2的关系为（）A.η1=η2B.η1>η2C.η1<η2D.无法确定9.电解过程中，若阳极发生金属溶解反应（如Zn溶解为Zn²+），则阳极的实际电势φ(阳,实)与平衡电势φ(阳,平)的关系为（）A.φ(阳,实)=φ(阳,平)B.φ(阳,实)>φ(阳,平)C.φ(阳,实)<φ(阳,平)D.取决于电流密度方向10.下列关于超电势的说法，正确的是（）A.超电势仅存在于电解池中，原电池无超电势B.氢超电势随电极材料不同变化显著（如Pt的氢超电势远小于Pb）C.超电势的大小与电流密度无关D.浓差极化的超电势可通过搅拌溶液完全消除二、填空题（每空1分，共15分）1.极化作用分为__________和__________两类，其中__________与电极表面反应的活化能直接相关。2.超电势的定义为实际电极电势与__________的差值，阳极超电势取__________（正/负）值，阴极超电势取__________（正/负）值。3.塔菲尔公式适用于__________极化显著的情况，当电流密度极低时，超电势与电流密度呈__________（线性/对数）关系。4.电解时，分解电压的计算公式为__________（用理论分解电压、阳极超电势、阴极超电势表示）。5.金属离子在阴极析出的顺序取决于其__________，若考虑超电势，实际析出电势为__________（用平衡电势和超电势表示）。6.工业上电解水制氢时，常加入NaOH溶液，目的是__________；选择Ni电极而非Cu电极，主要因为Ni的__________较低。三、简答题（每题8分，共32分）1.比较浓差极化与电化学极化的产生原因、影响因素及减小方法。2.解释“超电势使电解过程的能耗增加，但有时对电解产物的选择性有利”这一矛盾现象。3.电解ZnSO₄溶液（酸性，Zn²+浓度0.01mol·dm⁻³）时，若阴极可能析出Zn或H₂。已知φ°(Zn²+/Zn)=-0.76V，φ°(H+/H₂)=0V，Zn的超电势可忽略，H₂的超电势为0.6V（25℃）。分析为何实际电解时Zn优先析出。4.某电解池以Pt为阳极，Cu为阴极，电解CuCl₂溶液（Cu²+浓度0.5mol·dm⁻³，Cl⁻浓度1.0mol·dm⁻³）。已知φ°(Cu²+/Cu)=0.34V，φ°(Cl₂/Cl⁻)=1.36V，O₂在Pt阳极的超电势为0.8V，Cl₂在Pt阳极的超电势为0.2V（25℃，忽略浓差极化）。说明阳极优先析出Cl₂而非O₂的原因。四、计算题（共33分）1.（8分）25℃时，电解0.1mol·dm⁻³的AgNO₃溶液（Ag+活度a=0.1），阴极析出Ag，阳极（Pt）析出O₂（p=100kPa）。已知φ°(Ag+/Ag)=0.80V，φ°(O₂/H₂O,H+)=1.23V，溶液pH=5，阳极O₂的超电势η(阳)=0.5V，阴极Ag的超电势η(阴)=0.05V（阴极超电势取绝对值）。计算该电解池的实际分解电压。2.（8分）某电极反应的交换电流密度j0=1×10⁻⁶A·cm⁻²，传递系数α=0.5，温度25℃。当电流密度j=1×10⁻³A·cm⁻²时，计算该电极的电化学超电势（用塔菲尔公式，忽略浓差极化）。3.（8分）电解NiSO₄溶液（Ni²+浓度0.05mol·dm⁻³）时，阴极析出Ni，同时可能析出H₂（溶液pH=4）。已知φ°(Ni²+/Ni)=-0.25V，H₂在Ni电极上的超电势η(H₂)=0.45V（25℃），Ni的超电势可忽略。计算：（1）Ni的平衡析出电势；（2）H₂的实际析出电势；（3）判断何者优先析出。4.（9分）以铁为阴极，石墨为阳极电解饱和食盐水（NaCl浓度4.5mol·dm⁻³，25℃），阳极析出Cl₂（超电势0.2V），阴极析出H₂（超电势0.6V）。已知φ°(Cl₂/Cl⁻)=1.36V，φ°(H+/H₂)=0V，溶液中Cl⁻活度a(Cl⁻)=4.0（活度系数γ=0.89），H+活度a(H+)=1×10⁻⁷（中性溶液）。计算：（1）阳极Cl₂的实际析出电势；（2）阴极H₂的实际析出电势；（3）若电解电流为500A，通电2小时，理论上析出Cl₂的质量（法拉第常数F=96485C·mol⁻¹，Cl₂摩尔质量M=71g·mol⁻¹）。答案一、选择题1.D（浓差极化与电极反应速率相关，当反应速率大于扩散速率时才会显著）2.A（电流密度增大，极化加剧，超电势增大）3.B（b为Tafel斜率，j每增加10倍，η增加b）4.C（电化学极化与电子转移步骤相关，扩散速率影响浓差极化）5.B（φ(H+/H₂)=φ°+(0.0592/2)lg(a²(H+))-η=0+0.0592×(-7)-0.4≈-0.236V）6.B（反应速率＞扩散速率时，表面离子浓度降低，产生浓差极化）7.B（钌涂层降低Cl₂超电势，使Cl₂优先于O₂析出）8.C（电流密度增大，极化增强，超电势增大）9.B（阳极极化时，实际电势高于平衡电势）10.B（不同电极材料的氢超电势差异大，如Pt约0.05V，Pb约1.0V）二、填空题1.浓差极化；电化学极化；电化学极化2.平衡电势；正；负（或绝对值，需明确符号规则）3.电化学；线性（低电流密度时，η∝j）4.分解电压=(φ阳,平+η阳)-(φ阴,平-η阴)5.实际析出电势；φ平-η阴（阴极）6.提高溶液导电性；氢超电势三、简答题1.（1）产生原因：浓差极化由电极表面与溶液本体的离子浓度差引起（反应速率＞扩散速率）；电化学极化由电极反应的活化能壁垒导致（电子转移步骤缓慢）。（2）影响因素：浓差极化受离子扩散速率（温度、搅拌、离子浓度）影响；电化学极化受电极材料（交换电流密度）、温度、电流密度影响。（3）减小方法：浓差极化可通过搅拌溶液、升高温度、增大离子浓度减小；电化学极化可通过选择催化活性高的电极材料（降低活化能）、升高温度减小。2.超电势使实际分解电压高于理论值，导致电解时需要更大的外加电压，能耗增加；但超电势可能改变不同反应的实际析出顺序（如H₂的高氢超电势使某些金属优先析出），从而提高产物选择性（如电镀时抑制H₂析出，保证金属沉积）。3.Zn的实际析出电势：φ(Zn)=φ°(Zn²+/Zn)+(0.0592/2)lga(Zn²+)=-0.76+(0.0592/2)lg0.01≈-0.819V（忽略超电势）。H₂的实际析出电势：φ(H₂)=φ°(H+/H₂)+(0.0592/2)lga²(H+)-η(H₂)=0+0.0592×(-pH)-0.6=0.0592×(-4)-0.6≈-0.837V。因φ(Zn)＞φ(H₂)（-0.819V＞-0.837V），故Zn优先析出。4.阳极可能反应：2Cl⁻→Cl₂+2e⁻（φ°=1.36V）；2H₂O→O₂+4H++4e⁻（φ°=1.23V）。Cl₂实际析出电势：φ(Cl₂)=φ°(Cl₂/Cl⁻)-(0.0592/2)lga²(Cl⁻)+η(阳)=1.36-0.0592×lg1.0+0.2=1.56V（a(Cl⁻)=1.0时，lg项为0）。O₂实际析出电势：φ(O₂)=φ°(O₂/H₂O)-(0.0592/4)lg(1/a⁴(H+))+η(阳)=1.23+0.0592×pH+0.8=1.23+0.0592×7+0.8≈2.44V（pH=7时）。因φ(Cl₂)＜φ(O₂)（1.56V＜2.44V），故Cl₂优先析出。四、计算题1.理论分解电压=φ阳,平-φ阴,平。阳极（O₂析出）平衡电势：φ阳,平=φ°(O₂/H₂O)+(0.0592/4)lg(a⁴(H+))=1.23+0.0592×(-5)=1.23-0.296=0.934V（pH=5，a(H+)=10⁻⁵）。阴极（Ag析出）平衡电势：φ阴,平=φ°(Ag+/Ag)+0.0592lga(Ag+)=0.80+0.0592×lg0.1=0.80-0.0592=0.7408V。实际分解电压=(φ阳,平+η阳)-(φ阴,平-η阴)=(0.934+0.5)-(0.7408-0.05)=1.434-0.6908=0.7432V（约0.74V）。2.塔菲尔公式η=a+blg(j/j0)，其中b=2.303RT/(αF)（25℃时，2.303RT/F≈0.0592V）。b=0.0592/(α)=0.0592/0.5=0.1184V（对于阴极，α通常取0.5）。η=0.1184×lg(1×10⁻³/1×10⁻⁶)=0.1184×lg1000=0.1184×3=0.355V。3.（1）Ni的平衡析出电势：φ(Ni)=φ°(Ni²+/Ni)+(0.0592/2)lga(Ni²+)=-0.25+(0.0592/2)lg0.05≈-0.25+(0.0592/2)×(-1.301)=-0.25-0.0386≈-0.2886V。（2）H₂的实际析出电势：φ(H₂)=φ°(H+/H₂)+0.0592lga(H+)-η(H₂)=0+0.0592×(-4)-0.45=-0.2368-0.45≈-0.6868V。（3）因φ(Ni)＞φ(H₂)（-0.2886V＞-0.6868V），故Ni优先析出。4.（1）阳极Cl₂实际析出电势：φ(Cl₂)=φ°(Cl₂/Cl⁻)-(0.0592/2)lga²(Cl⁻)+η(阳)=1.36-0.0592×lg4.0+0.2=1.36-0.0592×0.602+0.2≈1.36-0.0357+0.2=1.