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化学双极电极设计试题及答案

试题

1.在某化学实验中，设计一个双极电极体系用于处理含重金属离子（如$Cu^{2+}$）的废水。已知双极电极材料为石墨，电解质溶液为含$Cu^{2+}$的废水和$Na_{2}SO_{4}$溶液，外加电源为直流电源。

（1）请画出该双极电极体系的简单装置图，并标注出各部分名称。

（2）写出双极电极两端发生的电极反应式。

（3）若处理一段时间后，发现双极电极上有红色物质析出，分析其原因。

（4）为了提高重金属离子的去除效率，可以采取哪些措施？

2.现有一个基于双极电极的电化学传感器，用于检测水中的溶解氧。双极电极材料为铂，电解质溶液为$KCl$溶液，工作电极和对电极与双极电极构成电化学体系。

（1）简述该电化学传感器检测水中溶解氧的基本原理。

（2）写出双极电极两端可能发生的电极反应式。

（3）若检测到电流突然增大，可能的原因有哪些？

（4）该传感器在实际应用中可能会受到哪些因素的干扰？如何减少这些干扰？

3.设计一个双极电极体系用于合成一种有机化合物$A$。已知反应物为$B$和$C$，双极电极材料为不锈钢，电解质溶液为有机溶剂和支持电解质。

（1）说明该双极电极体系的设计思路和反应原理。

（2）写出双极电极两端可能发生的反应步骤。

（3）在合成过程中，如何控制反应条件以提高产物$A$的产率？

（4）若产物$A$的产率较低，可能的原因有哪些？

答案

1.

（1）

装置图：画一个矩形代表电解槽，电解槽内有两个石墨电极作为双极电极，电极两端分别连接直流电源的正负极。电解槽中盛装含$Cu^{2+}$的废水和$Na_{2}SO_{4}$溶液。标注出直流电源（标明正负极）、双极电极（石墨）、含$Cu^{2+}$废水和$Na_{2}SO_{4}$溶液。

（2）

靠近电源正极的一端（阳极）：$2H_{2}O4e^{}=O_{2}\uparrow+4H^{+}$（因为溶液中氢氧根离子比硫酸根离子更容易失去电子）。

靠近电源负极的一端（阴极）：$Cu^{2+}+2e^{}=Cu$。

（3）双极电极上有红色物质析出是因为在阴极发生了$Cu^{2+}$的还原反应。在电场作用下，溶液中的$Cu^{2+}$向阴极移动，得到电子被还原为铜单质，铜单质为红色，所以会在双极电极阴极一端看到红色物质析出。

（4）提高重金属离子去除效率的措施：

增大外加电源的电压，增强电场强度，使$Cu^{2+}$更快速地向阴极移动并发生反应。

适当搅拌溶液，加快离子的扩散速率，使$Cu^{2+}$能更快地到达阴极表面。

增加双极电极的面积，提供更多的反应位点，促进$Cu^{2+}$的还原反应。

2.

（1）基本原理：当水中存在溶解氧时，在双极电极体系中，由于铂电极具有良好的催化性能，溶解氧会在双极电极的一端（阴极）发生还原反应，产生电流。通过检测电流的大小，可以间接测定水中溶解氧的含量。因为溶解氧的浓度越高，在阴极发生还原反应的速率越快，产生的电流也就越大。

（2）

阴极：$O_{2}+2H_{2}O+4e^{}=4OH^{}$（碱性条件，$KCl$溶液接近中性，但在电极反应附近可能因反应产生碱性环境）。

阳极：$2Cl^{}2e^{}=Cl_{2}\uparrow$，不过实际上可能还会有其他副反应，如$2H_{2}O4e^{}=O_{2}\uparrow+4H^{+}$等，具体取决于溶液的实际情况和电极表面性质。

（3）电流突然增大可能的原因：

水中溶解氧含量突然增加，可能是因为外界空气混入水样，导致更多的氧分子在阴极发生还原反应，从而使电流增大。

也可能是电极表面状态发生变化，例如有新的催化活性位点产生，使反应速率加快，电流增大。

（4）

干扰因素：

水中的其他氧化性或还原性物质会干扰溶解氧的检测。例如，一些重金属离子可能会在电极上发生反应，产生额外的电流。

温度变化会影响电极反应的速率和氧的溶解度，从而影响检测结果。

溶液的pH值也会对电极反应产生影响。

减少干扰的方法：

对水样进行预处理，去除可能存在的干扰物质，如通过过滤、沉淀等方法去除重金属离子。