Question

16．某同學設計了一個甲醇（CH₃OH）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1：

（1）25℃，1.01×10⁵Pa時16g液態(tài)甲醇完全燃燒，當恢復至原狀態(tài)時，放出362.9kJ熱量，此反應的熱化學方程式為CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol．
（2）寫出甲中通入甲醇這一極的電極反應式CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（3）鐵電極上反應的現(xiàn)象為：先有紅色的物質析出，后有氣泡產生．石墨電極上產生的氣體是Cl₂、O₂．
（4）理論上乙中兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系如圖2所示（氣體體積已換算成標準狀況下的體積）原混合溶液中CuSO₄的物質的量濃度0.1mol•L^-1．（假設溶液體積不變）

Answer 1

分析 （1）16g 液態(tài)甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態(tài)時，放出369.2kJ的熱量，則1mol 液態(tài)甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態(tài)時，放出725.8kJ的熱量，據此書寫；
（2）甲醇發(fā)生氧化反應，在堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（3）電池通入甲醇的為負極，乙中鐵電極為陰極、石墨電極為陽極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖3中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，陽極t₁前電極反應式為：2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₃電極反應式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極t₂前電極反應式為2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為4H⁺+4e^-=2H₂↑；
（4）根據t₁～t₂ 陽極上生成氯氣和氧氣，結合得失電子守恒計算CuSO₄的物質的量濃度．

解答 解：（1）16g 液態(tài)甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態(tài)時，放出369.2kJ的熱量，則1mol 液態(tài)甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態(tài)時，放出725.8kJ的熱量，即熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol；
（2）在燃料電池的中，負極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應，在堿性環(huán)境下，甲醇失電子的過程為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（3）電池通入甲醇的為負極，乙中鐵電極為陰極、石墨電極為陽極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖3中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，陽極t₁前電極反應式為：2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₃電極反應式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極t₂前電極反應式為2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以鐵電極上反應的現(xiàn)象為：先有紅色的物質析出，后有氣泡產生；石墨電極上產生的氣體是Cl₂、O₂，故答案為：有氣泡產生；Cl₂、O₂；
（4）石墨為陽極、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3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↑，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，
由圖可知，產生氯氣為224mL，則由2Cl^--2e^-=Cl₂↑可知，n（NaCl）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×2=0.02mol，由t₂時生成氧氣為112mL，n（O₂）=$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，則共轉移電子為0.02mol+0.005mol×4=0.04mol，
根據電子守恒及Cu²⁺+2e^-=Cu可知，n（CuSO₄）=$\frac{0.04mol}{2}$=0.02mol，所以c（CuSO₄）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，
故答案為：0.1．

點評 本題考查電解原理，明確發(fā)生的電極反應及圖圖象的對應關系是解答本題的關鍵，計算抓住兩極電子轉移相等計算，題目難度中等．