Question

【題目】以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖。回答下列問題：

(1)B極電極反應(yīng)式為______________________。

(2)若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解硫酸銅溶液，寫出陽極的電極反應(yīng)式________；當陽極收集到11.2L（標準狀況）氣體時，消耗甲烷的質(zhì)量為__________g；電解硫酸銅溶液一段時間后，陰極無氣體產(chǎn)生，要使原溶液復原，可向電解后的溶液中加入___________________。

(3)目前已開發(fā)出用電解法制取ClO2的新工藝，簡易裝置如圖所示：

①若用上述甲烷燃料電池進行電解，則甲烷燃料電池的負極應(yīng)該接該裝置的_____（填“左”或“右”）邊電極；寫出陽極產(chǎn)生ClO2的電極反應(yīng)式___________。

②電解一段時間，當陰極產(chǎn)生的氣體體積為112mL(標準狀況下)時，停止電解。通過陽離子交換膜的陽離子的數(shù)目為__________。

Answer 1

【答案】CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 2H2O-4e-=O2↑+4H+ 4 CuO 右 Cl--5e-+2H2O=ClO2+4H+ 0.01NA

【解析】

(1)B電極CH4變?yōu)?/span>CO2，根據(jù)陰離子移動方向，結(jié)合原電池反應(yīng)原理，判斷電極的正負，并寫出電極反應(yīng)式；

(2)用惰性電極電解硫酸銅溶液，陽極上溶液中OH-放電；陰極上溶液中的Cu2+放電；若陰極無氣體放出，說明陰極只發(fā)生了反應(yīng)：Cu2++2e-=Cu；兩個電極析出的物質(zhì)反應(yīng)后得到的物質(zhì)就是使溶液復原需加入的物質(zhì)；

(3)①根據(jù)離子移動方向確定電解池的陽極、陰極，電解池的陰極接電源的負極；陽極上Cl-失去電子變?yōu)?/span>ClO2；

②陰極上溶液中的H+獲得電子變?yōu)闅錃�，根�?jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，計算通過陽離子交換膜的陽離子的數(shù)目。

(1)由陰離子移動方向可知B電極為負極，在負極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

(2)用石墨電極電解硫酸銅溶液，石墨電極為惰性電極，電解硫酸銅溶液，實質(zhì)上是溶液中的離子放電。在陽極上溶液中OH-放電，所以陽極的電極反應(yīng)式為：2H2O-4e-=O2↑+4H+；陰極上溶液中的Cu2+放電，電極反應(yīng)式為Cu2++2e-=Cu；陽極產(chǎn)生的是O2，每產(chǎn)生1molO2，轉(zhuǎn)移4mol電子，n(O2)=11.2L÷22.4L/mol=0.5mol，則n(e-)=0.5×4=2mol，由于同一閉合回路中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等，所以根據(jù)CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O可知消耗1mol甲烷，轉(zhuǎn)移8mol電子，則轉(zhuǎn)移2mol電子，會消耗CH4的物質(zhì)的量為n(CH4)=2mol÷8=0.25mol，則消耗甲烷的質(zhì)量為m(CH4)=0.25mol×16g/mol=4g；

電解硫酸銅溶液一段時間后，若陰極無氣體產(chǎn)生，則電解反應(yīng)方程式為：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，要使原溶液復原，可向電解后的溶液中加入的物質(zhì)是Cu與O2反應(yīng)產(chǎn)生的CuO；

(3)①Na+向陰極移動，陰極連接原電池的負極，接燃料電池中通入甲烷的電極；所以甲烷燃料電池的負極應(yīng)該接該裝置的右邊的電極；在陽極上，溶液中的Cl-失去電子，變?yōu)?/span>ClO2，電極反應(yīng)式為：Cl--5e-+2H2O=ClO2+4H+；

②陰極電極反應(yīng)為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，氫氣的物質(zhì)的量為n(H2)=0.112L÷22.4L/mol=0.005mol，陰極區(qū)產(chǎn)生0.01molOH-，通過陽離子交換膜的是+1價陽離子，故通過陽離子交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為0.01mol，通過的陽離子的數(shù)目為0.01NA。