高中化学试题解析471

高中化学试题解析471

1．电解海水制氢是绿色储能手段之一，电解海水过程常出现阴极结垢和阳极析氯腐蚀问题。我国某科研团队利用催化电极Ti/Pt-I(I^-修饰使电极表层带有负电荷)和离子交换膜，为前述问题提供了一种解决方案。下图为电解装置示意图，该装置在电解海水的同时能得到高纯Mg(OH)₂(s)。

回答问题：

(1)在25℃和101kPa下，H₂(g)的燃烧热ΔH=-285.8kJ/mol，则反应

(2)在25℃、101kPa和一定电流条件下，用该装置电解海水制备1molH₂需消耗电能430.1kJ，该过程能量由电能转化为_____________和_____________(忽略副反应)。

(3)b电极的电极反应式是_______________________________。

(4)离子交换膜是为了防止_____________(填标号)

①阴极结垢

②阳极析氯腐蚀

③Cl^-在两极间迁移

④Na⁺在两极间迁移

(5)相同条件下，分别用Ti/Pt和Ti/Pt-I作为阴极，电解过程中，阴极附近溶液pH与距离阴极表面的远近有关，关系如下图所示。距离阴极6μm内，相同距离处Ti/Pt-I电极的pH比Ti/Pt电极的小，原因是____________________。

(6)若电解的海水中c(Mg²⁺)=0.056mol/L，则室温下，距离Ti/Pt-I电极__________μm处开始有Mg(OH)₂结晶。已知：K_sp[Mg(OH)₂]=5.6×10^-12。

答案：

(1)+571.6

(2)化学能热能

(3)

(4)②③

(5) Ti/Pt-I电极表层带有负电荷，排斥同带负电的OH^-，促使其更快地向外围溶液扩散

(6)3

分析：

a电极是电解海水的阴极，发生还原反应，电极反应式为：

如果生成的OH^-与海水中的Mg²⁺等反应，则会生成氢氧化镁等沉淀，吸附在电极表面形成垢层。本装置使用带负电的Ti/Pt-I修饰阴极，则碘离子会与OH^-产生排斥作用，不会在电极表面生成沉淀，从而产生结垢。

b电极是电解的阳极，如果无隔膜，则海水中的氯离子会放电生成氯气，本装置使用阳离子交换膜将其与海水隔开，阳极区采用Na₂SO₄溶液，避免了氯离子放电生成氯气。

阳极的电极反应式为：

⑴写出氢气燃烧热的热化学方程式：

将该热化学方程式除以2，再取其逆过程，可得到所需的热化学方程式，依盖斯定律，其反应热也进行相应的处理，因此其反应热为：

⑵从上面的热化学方程式可知，理论上电解水制备1molH₂所需的能量为285.8kJ，但实际消耗电能为430.1kJ，说明有一部分能量转化为化学能，还有一部分能量损耗转化为热能。

⑶b电极是电解的阳极，电解质溶液为Na₂SO₄溶液，水电离出的氢氧根离子放电生成氧气，电极反应式为：

⑷从前面的分析知，避免结垢的原理是使用了带负电的Ti/Pt-I修饰阴极，与离子交换膜无关；阳极区是Na₂SO₄溶液，离子交换膜可避免氯离子在阳极放电生成氯气；离子交换膜要避免氯离子通过，所以应当是阳离子交换膜，阻拦所氯离子的迁移；钠离子可通过阳离子交换膜，可维持电荷守恒。

⑸带负电的Ti/Pt-I修饰阴极对氢氧根离子有排斥作用，因此在距离电极6μm范围内，电极附近的pH更小。

⑹根据溶度积的规则，当氢氧化镁开始沉淀时，有：

将镁离子的浓度和溶度积的数据代入，可计算出氢氧根离子浓度：

则对应溶液的pH为9，从图中可查出对应的距离为3μm。

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