Question

16．能源的開發(fā)、利用與人類社會的可持續(xù)發(fā)展息息相關，怎樣充分利用好能源是擺在人類面前的重大課題．
（1）依據原電池構成原理，下列化學反應在理論上可以設計成原電池的是D（填序號）．
A．C（s）+CO₂（g）═2CO（g）
B．NaOH（aq）+HCl（aq）═NaCl（aq）+H₂O（l）
C．2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）    
D．CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）
若以KOH溶液為電解質溶液，依據所選反應可以設計成一個原電池，請寫出該原電池的負極反應CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
（2）以氨氣代替氫氣研發(fā)氨燃料電池是當前科研的一個熱點．氨燃料電池使用的電解質溶液是2mol•L^-1的KOH溶液，電池反應為：4NH₃+3O₂═2N₂+6H₂O．該電池負極的電極反應式為2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O；每消耗1.7g NH₃轉移的電子數為0.3N_A（阿伏加德羅常數的值用N_A表示）．
（3）用氨燃料電池電解CuSO₄溶液，如圖所示，A、B均為鉑電極，通電一段時間后，在A電極上有紅色固體析出，則B電極上發(fā)生的電極反應式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；此時向所得溶液中加入8gCuO固體后恰好可使溶液恢復到電解前的濃度，則電解過程中收集到的氣體在標準狀況下體積為1.12L．

Answer 1

分析 （1）依據原電池的構成原理，下列化學反應在理論上可以設計成原電池需要是自發(fā)進行的氧化還原反應；只有D符合；在堿溶液中甲烷燃料電池中燃料在負極發(fā)生氧化反應，氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應；
（2）依據化學方程式分析氨氣化合價變化，判斷發(fā)生氧化反應的物質是氨氣，原電池中在負極失電子，正極上氧氣得到電子生成氫氧根離子；結合化學方程式和電子轉移總數計算每消耗3.4g NH₃轉移的電子數；
（3）用氨燃料電池電解CuSO₄溶液，陽極上氫氧根離子放電，陰極上銅離子放電；根據原子守恒計算氧氣的體積．

解答 解：（1）設計成原電池需要是自發(fā)進行的氧化還原反應；
A．C（s）+CO₂（g）=2CO（g）是非自發(fā)進行的氧化還原反應，故A不選；
B．NaOH（aq）+HCl（aq）=NaCl（aq）+H₂O（l），反應是復分解反應，不是氧化還原反應，故B不選；
C．2H₂O（l）=2H₂（g）+O₂（g），反應是非自發(fā)進行的氧化還原反應，故c不選；
D．CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），是自發(fā)進行的氧化還原反應，可以設計成原電池；故D選；
D反應是甲烷燃料電池，在堿溶液中甲烷燃料電池中燃料在負極發(fā)生氧化反應，氧氣在正極得到電子發(fā)生還原反應；
負極電極反應為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
正極電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案為：D；CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2）電池反應為：4NH₃+3O₂=2N₂+6H₂O．該電池負極是氨氣失電子生成氮氣，反應的電極反應式為2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O，反應中2mol氨氣反應電子轉移6mol電子，每消耗3.4g NH₃物質的量=$\frac{1.7g}{17g/mol}$=0.1mol，轉移的電子數為0.3N_A；
故答案為：2NH₃+6OH^--6e^-=N₂+6H₂O；0.3N_A；
（3）用氨燃料電池電解CuSO₄溶液，陽極上氫氧根離子放電，陰極上銅離子放電而析出銅，陽極上電極反應式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，向溶液中加入8gCuO固體后可使溶液恢復到電解前的濃度，則陽極上析出氧氣的質量等于氧化銅中氧原子的質量，根據原子守恒知，氧氣的體積=$\frac{\frac{8g}{80g/mol}×16g/mol}{32g/mol}$×22.4L/mol=1.12L；
故答案為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1.12．

點評 本題考查原電池和電解池知識，側重于學生的分析能力、計算能力和電化學知識的綜合考查，為高考常見題型和高頻考點，注意把握電極方程式的書寫，題目難度中等．