Question

新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH₄和O₂，電解質(zhì)為KOH溶液．某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液的電解實驗，如圖所示．

回答下列問題：
（1）甲烷燃料電池正極的電極反應(yīng)式為

 

、負(fù)極的電極反應(yīng)式為

 

．
（2）閉合K開關(guān)后，a、b電極上均有氣體產(chǎn)生．其中b電極上得到的是

 

，電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為

 

；若電解一段時間后，石墨棒上產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)狀況下的Cl₂ 224mL，電解后的溶液總體積為200mL，
則溶液的pH=

 

．
（3）若每個電池甲烷通入量為 1L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），且反應(yīng)完全，則理論上通過電解池的電量為

 

（法拉第常數(shù)F=9.65×l0⁴C?mol^-1，列式計算），最多能產(chǎn)生的氯氣體積為

 

L （標(biāo)準(zhǔn)狀況）．

Answer 1

分析：（1）甲烷燃料電池中，正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣得電子被還原，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷被氧化生成碳酸鹽和水；
（2）閉合K開關(guān)后，a為陽極，b為陰極，結(jié)合電極方程式計算；
（3）根據(jù)關(guān)系式1 mol CH₄～8 mol e^-～4 mol Cl₂計算．

解答：解：（1）燃料電池中，正極上氧氣得電子和水反應(yīng)生成氫氧根離子，電極反應(yīng)式為：2O₂+4H₂O+8e^-=8OH^-，負(fù)極上甲烷失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)式為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：2O₂+8e^-+4H₂O=8OH^-；CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2）閉合K開關(guān)后，a為陽極，b為陰極，電解飽和氯化鈉溶液時，陽極上氯離子放電生成氯氣，陰極上氫離子放電生成氫氣，同時溶液中產(chǎn)生氫氧化鈉，電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，
n（Cl₂）=

0.224L

22.4L/mol

=0.01mol/L，
由方程式可知n（NaOH）=0.02mol，
則c（OH^-）=

0.02mol

0.2L

=0.1mol/L，則pH=13，
故答案為：H₂；2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+H₂↑+Cl₂↑；13；
（3）根據(jù)得失電子守恒，可得：1 mol CH₄～8 mol e^-～4 mol Cl₂，故若每個電池甲烷通入量為1 L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），生成4L Cl₂；電解池通過的電量為

1L

22.4L/mol

×8×9.65×10⁴C?mol^-1=3.45×10⁴C（題中雖然有兩個燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個池的甲烷量計算），
故答案為：

1L

22.4L/mol

×8×9.65×10⁴C?mol^-1=3.45×10⁴C；4．

點評：本題涵蓋電解池和原電池的主體內(nèi)容，涉及電極判斷與電極反應(yīng)式書寫等問題，做題時注意從氧化還原的角度判斷原電池的正負(fù)極以及電極方程式的書寫，本題中難點和易錯點為電極方程式的書寫．