Question

溶氧分析儀能連續(xù)、自動測量水中微量的溶解氧含量，可用于工業(yè)鍋爐用水，實驗室制備除氧水等方面。溶氧分析儀的核心部件是氧傳感器，傳感器中銀做陽極，金做陰極，二電極之間連接一穩(wěn)定的直流電源，以氯化鉀溶液為電解質溶液，電解質溶液與取樣水之間有一層氧氣可以透過的薄膜，測量金電極上產生的還原電流的大小得出氧氣的含量。
⑴　試寫出溶氧分析儀的有關電極反應式
陰極_______________________________，陽極____________________________________
⑵　請從你寫的電極反應式推測影響氧傳感器的性能的因素可能有哪些？
在高溫下高爐中氧含量的測定可用氧化鋯(ZrO₂)氧傳感器來測定，在氧化鋯中加入MgO,Y₂O₃等立方晶系的氧化物后，在600℃以上高溫時成為氧的快離子導體。其導電性能主要源于摻雜晶體中的氧離子空位。下圖為氧化鋯固體電解質的導電原理。

⑶　寫出高氧側和低氧側的電極反應式
高氧側______________________________，低氧側________________________________
⑷　若某摻雜電極Y₂O₃的ZrO₂晶體中氧離子空位數為3.01×10²⁰個，則理論上摻雜的Y₂O₃質量為多少克？

Answer 1

⑴　陰極反應O₂ + 2H₂O + 4e ="=" 4OH^-  
陽極反應Ag– e^- + Cl^- ="=" AgCl   （2分，各1分）
⑵　pH值，H₂S的濃度，重金屬離子（寫出二個即可）  （2分）
⑶　O₂+ 4e ^- ="==" 2O^2-  ,    2O^2-— 4e^-  ="==" O₂  （2分，各1分）
⑷　每摻雜1molY₂O₃得到的氧離子空位為1mol, 計算得Y₂O₃質量為：
(3.01X10²⁰/N_A)´M _Y2O3 =1．13´10^-1g   (三位有效數字)（2分）

⑴此問中，一個關鍵問題是要判斷該電化學裝置的類型。雖然題中各種描述，該裝置是電解池，但是從測量原理等方面來看，這卻是一個原電池裝置。該裝置利用原電池產生的電流對穩(wěn)定直流電的抵消作用，來測量電流強度，進而確定O₂的濃度。因此，在正極，O₂+ 2H₂O + 4e ="=" 4OH^-，由于O₂的濃度不一樣，影響了該電對的電極電勢。負極Ag失電子，并與Cl^－形成沉淀。
⑵影響氧傳感器的因素就是影響⑴中兩個電極電極電勢大小的因素。正極的電勢與溶液pH有關，負極由于Ag(Ⅰ)的存在形式會影響到該電極的電極電勢，因此影響Ag(Ⅰ)存在形式的因素都會對氧傳感器的性能產生影響。
⑶根據題意，該固體電解質中載荷離子為O^2-，因此與恒定電流正極相連一側，即高氧側，失去電子，產生還原電流，因此電極反應式為：O₂+ 4e ^- ="==" 2O^2- 。另一側O^2-得電子生成O₂。
⑷氧離子空位的物質的量為3.01×10²⁰/6.02×10²³=5.00×10^-4(mol)，每一個Y³⁺置換一個Zr⁴⁺，正電荷減小1，因此根據電荷守恒原理n(Y)=2n(Y₂O₃) =5.00×10^-4×2 mol，得n(Y₂O₃)=5.00×10^-4 mol，從而求得其摩爾質量。