Question

16．（1）科學家制造出一種使用固體電解質的燃料電池，其效率更高，可用于航空航天．如圖1所示裝置中，以稀土金屬材料為惰性電極，在兩極上分別通入CH₄和空氣，其中固體電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂固體，它在高溫下能傳導陽極生成的O^2-（O₂+4e^--→2O^2-）．
①c電極的名稱為正極，d電極上的電極反應式為CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O．
②如圖2所示電解100mL 0.5mol•L^-1 CuSO₄溶液，a電極上的電極反應式為4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑．若a電極產生56mL（標準狀況）氣體，則所得溶液的pH=1（不考慮溶液體積變化），若要使電解質溶液恢復到電解前的狀態(tài)，可加入ac（填字母序號）．
a．CuO　  b．Cu（OH）₂  c．CuCO₃  d．Cu₂（OH）₂CO₃
（2）采取一定措施可防止鋼鐵腐蝕．下列裝置中的燒杯里均盛有等濃度、等體積的NaCl溶液．
①在a～c裝置中，能保護鐵的是bc（填字母）．
②若用d裝置保護鐵，X極的電極材料應是鋅（填名稱）．

（3）某同學設計了一個甲醇燃料電池，并用該電池電解200mL一定濃度NaCl與CuSO₄混合溶液，其裝置如圖3：
①寫出甲中通入甲醇這一極的電極反應式CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
②理論上乙中兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系如圖4所示（氣體體積已換算成標準狀況下的體積），寫出在t₁后，石墨電極上的電極反應式4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；在t₂時所得溶液的pH約為1．

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)裝置圖中電流流向分析，c為正極，氧氣的電子發(fā)生還原反應，d為負極，甲烷失電子發(fā)生氧化反應；
②圖2是電解池，與電源正極連接的a電極為陽極，發(fā)生4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，b為陰極，發(fā)生為Cu²⁺+2e^-═Cu，結合電極方程式計算；
（2）①原電池的正極和電解池的陰極可以得到保護；
②裝置為原電池，若用d裝置保護鐵，X極的電極材料應比鐵活潑；
（3）電池通入甲醇的為負極，乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖丙中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，根據(jù)氧氣的量計算氫氧根離子的物質的量，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，根據(jù)公式計算得出C（H⁺），從而得出溶液的pH．

解答 解：（1）①圖1是原電池，依據(jù)電流流向是從正極流向負極，c電極為正極，氧氣得到電子發(fā)生還原反應，d電極為電池負極，甲烷失電子發(fā)生還原反應，在兩極上分別通入CH₄和空氣，其中固體電解質是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂固體，它在高溫下能傳導陽極生成的O^2-離子，負極電極反應為：CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O；
故答案為：正極；CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O；
②如圖2所示電解100mL0.5mol•L^-1CuSO₄溶液，發(fā)生的電解池反應為：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，
若a電極產生56mL（標準狀況）氣體為氧氣，物質的量為0.0025mol，消耗氫氧根離子物質的量為0.01mol，溶液中生成氫離子物質的量為0.01mol，c（H⁺）=$\frac{0.01mol}{0.1L}$=0.1mol/L，pH=-lg0.1=1；
則所得溶液電解過程中CuSO₄溶液每損失2個Cu原子，就損失2個 O原子，相當于損失一個CuO，為了使CuSO₄溶液，恢復原濃度，應加入CuO，也可以加入CuCO₃，符合恢復溶液濃度的定量關系，但不能加入Cu（OH）₂、Cu₂（OH）₂CO₃，因為CuCO₃+H₂SO₄═CuSO₄+CO₂↑+H₂O，相當于加CuO，而Cu（OH）₂+H₂SO₄═CuSO₄+2H₂O、Cu₂（OH）₂CO₃+2H₂SO₄═2CuSO₄ +CO₂↑+3H₂O，除增加溶質外還增加了水，故選ac，
故答案為：1；ac；
（2）①裝置中原電池的正極和電解池的陰極可以得到保護，a中Fe作陽極被腐蝕，b中Fe作陰極被保護，c中Fe作正極被保護，則bc可以保護鐵，故答案為：bc；
②裝置為原電池，若用d裝置保護鐵，X極的電極材料應比鐵活潑可以選擇鋅，故答案為：鋅；
（3）①甲醇燃料電池中，在堿性條件下，甲醇失電子生成碳酸根與水，電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖丙中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨電極上的電極反應式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，t₁～t₂Ⅱ產生的氣體體積=0.336L-0.224L=0.112L，陽極上生成112mL氧氣需要n（OH^-）=$\frac{0.112L×4mol}{22.4L}$=0.02mol，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1．

點評 本題考查了原電池原理和電解池原理，能正確判斷電池的類型及兩極的反應是解本題的關鍵，題目難度中等，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，有助于培養(yǎng)學生的邏輯思維能力和發(fā)散思維能力，提高學生靈活運用基礎知識解決實際問題的能力．