Question

【題目】如圖所示，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)燃料電池并探究氯堿工業(yè)原理的相關(guān)問(wèn)題，其中乙裝置中X為陽(yáng)離子交換膜。請(qǐng)按要求回答相關(guān)問(wèn)題：

(1)石墨電極(C)作___極，丙池中滴有酚酞，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后觀察到的現(xiàn)象是_____，甲中甲烷燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為________。

(2)若消耗2.24 L(標(biāo)況)氧氣，則乙裝置中鐵電極上生成的氣體體積(標(biāo)況)為___ L。

(3)丙中以CuSO4溶液為電解質(zhì)溶液進(jìn)行粗銅(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等雜質(zhì))的電解精煉，下列說(shuō)法正確的是_______。

A．b電極為粗銅

B．粗銅接電源正極，發(fā)生還原反應(yīng)

C．CuSO4溶液的濃度保持不變

D．利用陽(yáng)極泥可回收Ag、Pt、Au等金屬

(4)若丙中以稀H2SO4為電解質(zhì)溶液，電極材料b為鋁，則能使鋁表面生成一層致密的氧化膜，該電極反應(yīng)式為__________。

(5)假設(shè)乙裝置中氯化鈉溶液足夠多，若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，有224 mL氧氣參加反應(yīng)，則乙裝置中陽(yáng)離子交換膜，左側(cè)溶液質(zhì)量將_______，（填“增大”“減小”或“不變”），且變化了_____克。

Answer 1

【答案】陽(yáng) 兩電極均有氣泡冒出，左邊a電極附近溶液變紅 CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O 4.48 AD 2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+ 增大 0.88

【解析】

在燃料電池中，投放燃料的電極是負(fù)極，投放氧化劑的電極是正極。在甲池中通入O2的Pt電極為正極，通入CH4的Pt電極為負(fù)極。

(1)與原電池負(fù)極相連的為電解池的陰極，與正極相連的電極為陽(yáng)極，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)此分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；

(2)根據(jù)串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等計(jì)算鐵電極上生成氫氣的體積；

(3)銅的精煉時(shí)，粗銅為陽(yáng)極，純銅為陰極，陽(yáng)極上Cu以及活潑性比Cu強(qiáng)的金屬失電子，陰極上銅離子得電子生成Cu；

(4)電極材料b為鋁，b為陽(yáng)極，Al失電子生成氧化鋁；

(5)根據(jù)氧氣的體積計(jì)算氧氣的物質(zhì)的量，然后計(jì)算電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量，結(jié)合同一閉合回路中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等，Fe電極上H+變?yōu)?/span>H2，C電極上Cl-變?yōu)?/span>Cl2，乙池中，乙裝置中是陽(yáng)離子交換膜，只允許Na+通過(guò)，根據(jù)Na+帶一個(gè)單位正電荷，其物質(zhì)的量與電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量相等，通過(guò)比較增加與減少的質(zhì)量，確定左側(cè)質(zhì)量變化情況。

(1)甲池中通入燃料CH4的電極為負(fù)極，通入O2的電極為正極，根據(jù)圖示可知乙池中Fe電極連接電源負(fù)極為陰極，石墨電極(C)連接電源正極，作陽(yáng)極；

在丙池中滴有酚酞，a電極為陰極，發(fā)生反應(yīng)：2H++2e-=H2↑，H+不斷放電，破壞了附近溶液中H2O的電離平衡，最終達(dá)到平衡時(shí)，溶液中c(OH-)>c(H+)，溶液顯堿性，使酚酞試液變?yōu)榧t色；b電極為陽(yáng)極，發(fā)生氧化反應(yīng)：4OH--4e-=2H2O+O2↑，因此丙池實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后觀察到的現(xiàn)象是：兩電極均有氣泡冒出，左邊a電極附近溶液變紅；

在燃料電池甲中，負(fù)極上CH4失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，與溶液中OH-結(jié)合形成CO32-，負(fù)極的因此負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O；

(2)串聯(lián)電池中轉(zhuǎn)移電子數(shù)相等，若在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，有2.24 L氧氣參加反應(yīng)，則轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量n(e-)=×4=0.4 mol，乙裝置中鐵電極上H+放電生成H2，每產(chǎn)生1 mol H2，轉(zhuǎn)移2 mol電子，則轉(zhuǎn)移0.4 mol電子時(shí)產(chǎn)生H2的物質(zhì)的量為n(H2)==0.2 mol，試液反應(yīng)產(chǎn)生H2在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積V(H2)=0.2 mol×22.4 L/mol=4.48 L；

(3)A．電解精煉銅，粗銅為陽(yáng)極，與電源正極連接，精銅為陰極，與電源負(fù)極連接。a與負(fù)極相連為陰極，b電極連接電源正極為陽(yáng)極，所以b電極材料為粗銅，A正確；

B．粗銅接電源正極，作陽(yáng)極，陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，B錯(cuò)誤；

C．陽(yáng)極上Cu以及活潑性比Cu強(qiáng)的金屬失電子，陰極上銅離子得電子生成Cu，溶解的金屬與析出的金屬質(zhì)量不相等，所以CuSO4溶液的濃度會(huì)改變，C錯(cuò)誤；

D．粗銅為陽(yáng)極，陽(yáng)極上Ag、Pt、Au等活潑性比Cu弱的金屬在陽(yáng)極不反應(yīng)，形成陽(yáng)極泥，所以利用陽(yáng)極泥可回收Ag、Pt、Au等金屬，D正確；

故合理選項(xiàng)是AD；

(4)電極材料b為鋁，b為陽(yáng)極，Al失電子生成氧化鋁，酸性條件下，能使陽(yáng)極鋁表面生成一層致密的氧化膜，則鋁電極的電極方程式為：2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+；

(5)n(O2)==0.01 mol，電子轉(zhuǎn)移n(e-)=4n(O2)=0.04 mol，在乙池中，Fe電極為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：2H++2e-=H2↑，轉(zhuǎn)移0.04 mol電子，放出H2的物質(zhì)的量為0.02 mol，其質(zhì)量m(H2)=0.02 mol×2 g/mol=0.04 g；由于乙裝置中離子交換膜是陽(yáng)離子交換膜，只允許陽(yáng)離子Na+通過(guò)，左側(cè)H+放電使溶液中陽(yáng)離子減少，因此Na+由右側(cè)向左側(cè)通過(guò)， Na+帶一個(gè)單位正電荷，轉(zhuǎn)移0.04 mol電子，則左側(cè)增加0.04 mol Na+，其質(zhì)量是m(Na+)=0.04 mol×23 g/mol=0.92 g，由于左側(cè)增加質(zhì)量大于減少質(zhì)量，因此左側(cè)質(zhì)量會(huì)增加，增加質(zhì)量為△m=m(Na+)-m(H2)=0.92 g-0.04 g=0.88 g。