物理化学第七章 电化学习题及解答
发布时间:2020-04-26 14:44:21
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第七章 电化学习题及解答
1. 用铂电极电解CuCl2溶液。通过的电流为20 A,经过15 min后,问:(1)在阴极上能析出多少质量的Cu ; (2) 在27℃,100 kPa下,阳极析出多少Cl2?
解:电极反应为
阴极:Cu2+ + 2e- = Cu
阳极: 2Cl- - 2e- = Cl2
电极反应的反应进度为ξ = Q/(ZF) =It / (ZF)
因此: mCu = MCu ξ = MCu It /( ZF) = 63.546×20×15×60/(2×96485.309)=5.928g
VCl2 = ξ RT / p =2.328 dm3
2. 用银电极电解AgNO3溶液。通电一定时间后,测知在阴极上析出1.15g的Ag,并知阴极区溶液中Ag+的总量减少了0.605g。求AgNO3溶液中的t (Ag+)和t (NO3-)。
解: 解该类问题主要依据电极区的物料守恒(溶液是电中性的)。显然阴极区溶液中Ag+的总量的改变D mAg等于阴极析出银的量mAg与从阳极迁移来的银的量m’Ag之差:
DmAg = mAg - m’Ag
m’Ag = mAg - DmAg
t (Ag+) = Q+/Q = m’Ag / mAg = (mAg - DmAg)/ mAg = (1.15-0.605)/1.15 = 0.474
t (NO3-) = 1- t (Ag+) = 1- 0.474 = 0.526
3. 已知25 ℃时0.02 mol/L KCl溶液的电导率为0.2768 S/m。一电导池中充以此溶液,在25 ℃时测得其电阻为453Ω。在同一电导池中装入同样体积的质量浓度为0.555g/L的CaCl2溶液,测得电阻为1050Ω。计算(1)电导池系数;(2)CaCl2溶液的电导率;(3)CaCl2溶液的摩尔电导率。
解:(1)电导池系数KCell 为
KCell = k R = 0.2768×453 =125.4 m-1
(2)CaCl2溶液的电导率
k = KCell /R = 125.4/1050 = 0.1194 S/m
(3)CaCl2溶液的摩尔电导率
Λm = k/C = 110.983×0.1194/(0.555×1000)= 0.02388 S·m2 ·mol-
4. 25 ℃时将电导率为0.141 S/m的KCl溶液装入一电导池中,测得其电阻为525Ω。在同一电导池中装入0.1mol/L的NH4OH溶液,测得电阻为2030Ω。利用表7.1.4中的数据计算NH4OH的解离度α及解离常数K。
解:查表知NH4OH无限稀释摩尔电导率为
=73.4×10-4+198.0×10-4
=271.4 ×10-4S·m2 ·mol-
因此,
α =
=
K = c(NH4+) c (OH-)/ c (NH4OH) =
5. 试计算下列各溶液的离子强度:(1)0.025 mol/Kg NaCl;(2)0.025 mol/Kg CuSO4;(3)0.025 mol/Kg LaCl3。
解:根据离子强度的定义
I =
(1)I =
(2)I =
(3)I =
6. 应用德拜-休克尔极限公式计算25℃时下列各溶液中的γ±:(1)0.005 mol/Kg NaBr;(2)0.001 mol/Kg ZnSO4。
解:根据Debye-Hückel极限公式
lg γ± = -Az+|z-|
(1) I =
lg γ± = -0.509×1×|-1|
(2) I =
lg γ± = -0.509×2×|-2|
7. Zn(s)|ZnCl2 (0.05 mol·kg-1)|AgCl(s)|Ag(s),该电池电动势E与T的关系为E/V = 1.015-4.92×10-4(T/K-298),试计算298K时有1 mol的电子电量输出时,电池反应的ΔrGm、ΔrSm、ΔrHm和Qr(写出电池电极反应)
解:阳极反应:Zn(s) → Zn2+ + 2e-
阴极反应:2AgCl(s) + 2e-→ 2Ag + 2Cl-
电池反应:Zn(s) + 2AgCl(s)→2Ag + ZnCl2
T=298K时,E = 1.015- 4.92×10-4× (298-298) V = 1.015 V
= -97.95 + 298 × (-47.45×10-3) = -83.81 KJ·mol-1
8. 25℃电池Pb | Pb(SO4) | NaSO4(饱和) | Hg2SO4 | Hg(l) 的电池电动势E = 0.9647V,
解:(1) 负极反应: Pb+SO42-=PbSO4(s)+2e-
正极反应: Hg2SO4 (s)+2e-=2Hg(l)+SO42-
电池反应: Pb(s)+Hg2SO4 (s)=PbSO4 (s)+2Hg(l)
(2)
= -186.19 + 298.15×33.58×10-3=-176.18kJ·mol-1
9. 有一电池可用表示为:Cu(s)|Cu(Ac)2(a =1)|AgAc(s)|Ag(s)
已知298K时,该电池的电动势E1θ=0.372V,308K时, E2θ=0.374V。设该电池电动势的温度系数为常数。
(1)写出电极反应及电池反应(以电子转移数z=2计);
(2)计算298K时该电池反应的ΔrGmθ, ΔrSmθ, ΔrHmθ,以及电池恒温放电时的可逆热Qr,m。
解: (1) 负极(阳极):Cu - 2e -→Cu2+
正极(阴极):2AgAc+ 2e -→2Ag+2Ac-
电池反应:Cu + 2AgAc→2Ag+2Ac-)+Cu2+
(2)ΔrGmθ = -zFE1θ = -2×96500×0.372 = -71.796 kJ·mol-1
若F=96485 则为-71.785kJ·mol-1
由于温度系数为常数,
ΔrSmθ = zF
ΔrHmθ=ΔrGmθ +TΔrSmθ=-60.29 kJ·mol-1
Qr,m= TΔrSmθ=298×38.6=11.502 kJ·mol-1
10. 某原电池Pt | H2 (
(1)写出该电池的电极反应和电池反应。
(2)求该温度下电池的温度系数。
解:(1)电极反应 负极:H2 →2H+ + 2e-
正极:
电池反应 H2 +
(2)
ΔrHmθ=ΔrGmθ +TΔrSmθ =-z
11. 电池:Hg(s)êHg2Cl2(s) êCl-(aq) êAgCl(s) êAg(s)的标准电动势与温度的关系为Eθ/V=0.06804 - 3.12×10-4 (T/K-298)。设活度系数都等于1
(1)写出电极反应及电池反应;
(2)计算298 K时、电池反应的DrGmθ、DrSmθ、DrHmθ;
(3)在298 K、100 kPa,电池反应的反应进度x=2 mol时,求电池所作的可逆功
解:(1)负极反应: Hg(l) + Br- = 1/2 Hg2Cl2(s) + e-
正极反应: AgCl(s) + e-→ Ag(s) + Br-
电池反应:Hg(l) + AgCl(s) = 1/2 Hg2Cl2(s) + Ag(s)
(2)
ΔrSmy = zF
ΔrHmθ=ΔrGmθ +TΔrSmθ =-15.54 kJ·mol-1
(3) W电功= -2
12. 298K、
1)设计一可逆电池,并写出电极反应和电池反应
2)求该电池的电动势E。设活度系数都等于1
解:1)可逆电池为:(-)Pt,H2(pθ) | H2SO4(0.1mol/kg) |Ag2SO4(s)|Ag(s)(+)
负极: H2(pθ)→2H+(aH+)+2e-
正极:Ag2SO4(s) + 2e- → 2Ag(s)+ SO42-(a
电池反应: Ag2SO4(s) + H2(pθ) →2Ag(s)+ SO42-(a
2) 电池的电动势:E = Eθ -
=
=0.627 -
13. 在298K时,已知AgBr的溶度积Ksp(AgBr)=4.88×10-13,E (AgBr|Ag)=0.0715V,Eθ(Br2|Br-)=1.065V。
(1) 将AgBr(s) 的生成反应: Ag(s)+1/2Br2(l)=AgBr(s),设计成原电池。
(2) 求出上电池的标准电动势和AgBr(s)标准生成吉布斯函数。
(3) 若上电池电动势的温度系数(∂E/∂T)p=1×10-4V·K-1,计算该电池反应的⊿rHm,⊿rSm, Qr,m。
(4) 计算银电极的标准电极电势 Eθ(Ag+|Ag)。
解:(1) 将生成反应 Ag(s) + (1/2)Br2(l) → AgBr(s) 设计成电池:
正极: (1/2) Br2(l) +e-→ Br-
负极: Ag(s) + Br-→ AgBr(s) + e-
电池: Ag(s) | AgBr(s) | Br-| Br2(l)
Eθ= EθBr2(l)/Br- -EθAgBr(s)/Ag=1.065V-0.0715V=0.9935V
⊿rGm =-zFE =-(1×96500×0.9935) J·mol-1= -95872 J·mol-1
(2) ⊿rSm =zF(∂E/∂T) p =1×96500C·mol-1×1×10-4V·K-1=9.65 J·K-1·mol-1
Qr=T⊿rSm = 298K×9.65 J·K-1·mol-1=2876J·mol-1
⊿rHm =⊿rGm+T⊿rSm =⊿rGm +Qr,m =(95872+2876)J·mol-1=92996 J·mol-1
(3) AgBr的沉淀反应: Br- + Ag+ → AgBr(s),K =Ksp-1
正极: Ag++ e-→ Ag(s)
负极: Ag(s) +Br-→AgBr(s) +e-
Eθ= RT lnKsp-1/ F = Eθ (Ag+|Ag)-Eθ (AgBr|Ag)
所以 Eθ(Ag+|Ag)=Eθ (AgBr|Ag) -RT lnKsp/ F
= [0.0715V-8.315×298×ln(4.88×10-13)/96500]V
= 0.7994V
14. 298.15K下,电池Cu(s)∣Cu(Ac)2 (b=0.1mol·kg –1)∣AgAc(s) ∣Ag(s) 的电动势E=0.372V ,温度升至308K时E=0.374V,又已知298.15K时Eθ (Ag+/Ag)=0.799V ,Eθ (Cu2+/Cu)=0.337V 。
(1)写出电极反应和电池反应;
(2)298K时,当电池可逆地输出2mol电子的电量时,求电池反应的
(3)求298.15K时醋酸银AgAc(s)的溶度积 Kspθ,设活度系数均为1。
解:(1)负极: Cu-2e- →Cu2+ (a Cu2+)
正极: 2AgAc(s) +2e →2Ag(s) + Ac- ( a Ac- )
电池反应: Cu+2AgAc(s) → 2Ag(s)+Cu2+ ( a Cu2+ )+ Ac-(a Ac- )
(2) ⊿rGm=-zFE =-2×0.372×96500=-71.78 kJ·mol-1
⊿rSm=zF(∂E/∂T) p =2×96500×
⊿rHm=⊿rGm + T⊿rSm=-60.28 kJ·mol-1
(3) E=
设计电池:Ag(s)∣Ag +‖Ac-∣AgAc (s)∣Ag
电池反应:AgAc(s)→Ag+ + Ac-
此反应的标准平衡常数
Eθ =
lgKsp =(
得:Ksp=1.90×10-3
15. 298k时电解含有FeCl2(b = 0.01 mol/kg, γ±=1)和CuCl2(b = 0.02 mol/kg, γ±=1)的溶液。若电解过程中不断搅拌溶液,超电势忽略不计。问:(1)何种金属首先析出?(2)当第二种金属析出时,第一种金属离子在溶液中的浓度为多少?
解:(1)由能使特方程:
=0.34 +
=-0.44 +
∵
(2)Fe析出时Cu的浓度为
-0.499V =0.34 +
得:aCu2+=4.214×10-29 mol/kg。