Question

4．磷酸鐵鋰動力電池（LiFePO₄電池）的內部結構如圖所示．中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，鋰離子可以通過而電子不能通過．該電池的總反應式為：Li_1-xFePO₄+Li_xC₆═C₆+LiFePO₄
（1）磷酸鐵鋰電池放電時，正極反應式為Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+xe^-═LiFePO₄．
（2）若用該電池電解精煉銅，陰極質量增重19.2g時，則電池中通過聚合物隔膜的Li⁺數(shù)目為0.6N_A．
（3）以該電池為電源，用Fe₂O₃為陽極，石墨為陰極，NaOH溶液為電解質溶液制備高鐵酸鈉（Na₂FeO₄），寫出陽極的電極反應式Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O．
（4）學生在實驗時若被白磷（以P表示）灼傷，可用硫酸銅溶液涂抹傷處，有銅和H₃PO₄生成，寫出此反應的化學方程式2P+5CuSO₄+8H₂O═5Cu+2H₃PO₄+5H₂SO₄．
（5）一般來說，如果一個反應的平衡常數(shù)大于10⁵，通常認為反應進行得較完全；相反，如果一個反應的平衡常數(shù)小于10^-5，則認為這個反應很難進行．已知常溫下各物質的溶度積及電離平衡常數(shù)：
CuS：K_sp=8.4×10^-36mol²•L^-2；H₂S：K_a1=1.2×10^-7mol•L^-1，K_a2=7×10^-15mol•L^-1
①通過計算說明反應CuS（s）+2H⁺?Cu²⁺+H₂S進行的程度此反應K﹦1×10^-14＜10^-5，所以反應難以進行．
②常溫下，NaHS溶液呈堿性，此溶液中離子濃度由小到大的順序是c（S^2-）＜c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（HS^-）＜c（Na⁺）．若向此溶液中加入硫酸銅溶液，恰好完全反應，所得溶液pH＜7（填“＞”“＜”或“﹦”），其原因是HS^-+Cu²⁺═CuS↓+H⁺（用離子方程式表示）．

Answer 1

分析 （1）放電時，Li_1-xFePO₄在正極上得電子發(fā)生還原反應；
（2）若用該電池電解精煉銅，依據(jù)串聯(lián)電路中各個電極轉移電子數(shù)相同，依據(jù)Cu²⁺+2e^-=Cu，計算轉移電子數(shù)；
（3）用Fe₂O₃為陽極，石墨為陰極，NaOH溶液為電解質溶液，陽極三氧化二鐵失去電子發(fā)生氧化反應結合氫氧根離子生成高鐵酸根離子；
（4）依據(jù)題干給出產物，結合得失電子守恒、原子個數(shù)守恒寫成方程式；
（5）①計算CuS（s）+2H⁺?Cu²⁺+H₂S的K值，依據(jù)一個反應的平衡常數(shù)小于10^-5，則認為這個反應很難進行，進行判斷；
②常溫下，NaHS溶液呈堿性，說明硫氫根離子水解程度大于電離，據(jù)此解答；
③依據(jù)銅離子與硫氫根離子發(fā)生反應HS^-+Cu²⁺CuS↓+H⁺，解答．

解答 解：（1）放電時，Li_（1-x）FePO₄在正極上得電子，其正極反應為：Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+x e^-═LiFePO₄；
故答案為：Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+x e^-═LiFePO₄；
（2）電解精煉銅，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu，每轉移2mol電子，析出64g銅，所以陰極質量增重19.2g時，轉移電子數(shù)為：$\frac{19.2g}{64g/mol}$×2=0.6mol，電池與電解池為串聯(lián)，所以當電解池中轉移0.6mol電子，電池中轉移電子數(shù)為0.6mol，鋰離子帶1個單位正電荷，則電池中通過聚合物隔膜的Li⁺數(shù)目為0.6N_A；
故答案為：0.6N_A；
（3）用Fe₂O₃為陽極，石墨為陰極，NaOH溶液為電解質溶液制備高鐵酸鈉（Na₂FeO₄），陽極三氧化二鐵失去電子發(fā)生氧化反應結合氫氧根離子生成高鐵酸根離子，電極反應式為：Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O；
故答案為：Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O；
（4）磷與硫酸銅溶液反應生成產物銅、磷酸，依據(jù)原子個數(shù)守恒可知還會生成硫酸，反應中銅由+2價降低到0價，P由0價升高到+5價，依據(jù)得失電子守恒，硫酸銅系數(shù)為5，磷的系數(shù)為2，依據(jù)原子個數(shù)守恒，該反應的方程式：2P+5CuSO₄+8H₂O═5Cu+2H₃PO₄+5H₂SO₄；
故答案為：2P+5CuSO₄+8H₂O═5Cu+2H₃PO₄+5H₂SO₄；
（5）①K_sp=[Cu²⁺][S^2-]；H₂S：K_a1=$\frac{[{H}^{+}][H{S}^{-}]}{[{H}_{2}S]}$；K_a2=$\frac{[{H}^{+}][{{S}^{2}}^{-}]}{[H{S}^{-}]}$；

CuS（s）+2H⁺?Cu²⁺+H₂S，反應的K=$\frac{[C{{u}^{2}}^{+}][{H}_{2}S]}{[{H}^{+}]^{2}}$=K_sp÷K_a2÷K_a1=8.4×10^-36mol²•L^-2÷1.2×10^-7mol•L^-1÷7×10^-15mol•L^-1=1×10^-14＜10^-5，所以反應難以進行；
故答案為：此反應K﹦1×10^-14＜10^-5，所以反應難以進行；
②硫氫化鈉為強電解質，完全電離生成鈉離子與硫氫根離子，硫氫根離子部分發(fā)生水解，部分發(fā)生電離，所以鈉離子濃度大于硫氫根離子濃度，因為常溫下，NaHS溶液呈堿性說明硫氫根離子水解程度大于電離程度，所以氫氧根離子濃度大于硫離子濃度，加之水電離生成氫離子，所以氫離子濃度大于硫離子濃度，所以離子濃度大小順序為：c（S^2-）＜c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（HS^-）＜c（Na⁺）；
向溶液中加入硫酸銅后發(fā)生反應：HS^-+Cu²⁺CuS↓+H⁺，生成氫離子，所以溶液pH＜7；
故答案為：c（S^2-）＜c（H⁺）＜c（OH^-）＜c（HS^-）＜c（Na⁺）；＜；HS^-+Cu²⁺═CuS↓+H⁺．

點評 本題考查了原電池、電解池工作原理及相關計算，弱電解質電離平衡、沉淀溶解平衡，熟悉原電池、電解池工作原理及各個電極發(fā)生反應、明確化學平衡常數(shù)的表達式是解題關鍵，題目難度中等．