9.磷酸鐵鋰動(dòng)力電池(LiFePO4電池)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示.中間是聚合物的隔膜,它把正極與負(fù)極隔開,鋰離子可以通過而電子不能通過.該電池的總反應(yīng)式為:Li1-xFePO4+LixC6═C6+LiFePO4
(LixC6表示鋰原子嵌入石墨形成的復(fù)合材料.)
(1)磷酸鐵鋰電池放電時(shí),正極反應(yīng)式為Li(1-x)FePO4+xLi++x e-═LiFePO4
(2)若用該電池電解精煉銅,陰極質(zhì)量增重19.2g時(shí),則電池中通過聚合物隔膜的Li+數(shù)目為0.6NA
(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(zhì)溶液制備高鐵酸鈉(Na2FeO4),寫出陽極的電極反應(yīng)式Fe2O3-6e-+10OH-═2FeO42-+5H2O.
(4)以該電池為電源,用惰性電極電解4L硫酸銅和氯化鈉的混合溶液,若兩極均產(chǎn)生0.14mol氣體,電路中共有0.4mol的電子轉(zhuǎn)移,則電解后溶液的pH為12.

分析 (1)放電時(shí),Li1-xFePO4在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng);
(2)若用該電池電解精煉銅,依據(jù)串聯(lián)電路中各個(gè)電極轉(zhuǎn)移電子數(shù)相同,依據(jù)Cu2++2e-=Cu,計(jì)算轉(zhuǎn)移電子數(shù);
(3)用Fe2O3為陽極,石墨為陰極,NaOH溶液為電解質(zhì)溶液,陽極三氧化二鐵失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)結(jié)合氫氧根離子生成高鐵酸根離子;
(4)當(dāng)電路中通過0.4mol電子的電量時(shí),陰陽兩極都產(chǎn)生0.14mol的氣體,陰極產(chǎn)生的氣體為H2,陽極產(chǎn)生的氣體為Cl2和O2,生成0.14molH2轉(zhuǎn)移電子為0.14mol×2=0.28mol,所以陰極析出Cu的物質(zhì)的量=$\frac{0.4mol-0.28mol}{2}$=0.06mol,令陽極氣體中Cl2、O2的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol,根據(jù)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量列方程計(jì)算,據(jù)此判斷整個(gè)電解過程中各階段發(fā)生的反應(yīng),據(jù)此計(jì)算.

解答 解:(1)放電時(shí),Li(1-x)FePO4在正極上得電子,其正極反應(yīng)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(yīng)為:Cu2++2e-=Cu,每轉(zhuǎn)移2mol電子,析出64g銅,所以陰極質(zhì)量增重19.2g時(shí),轉(zhuǎn)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(dāng)電解池中轉(zhuǎn)移0.6mol電子,電池中轉(zhuǎn)移電子數(shù)為0.6mol,鋰離子帶1個(gè)單位正電荷,則電池中通過聚合物隔膜的Li+數(shù)目為0.6NA;
故答案為:0.6NA;
(3)用Fe2O3為陽極,石墨為陰極,NaOH溶液為電解質(zhì)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(yīng)結(jié)合氫氧根離子生成高鐵酸根離子,電極反應(yīng)式為:Fe2O3-6e-+10OH-═2FeO42-+5H2O;
故答案為:Fe2O3-6e-+10OH-═2FeO42-+5H2O;
(4)根據(jù)題意可知,當(dāng)電路中通過0.4mol電子的電量時(shí),陰陽兩極都產(chǎn)生0.14mol的氣體,陰極產(chǎn)生的氣體為H2,陽極產(chǎn)生的氣體為Cl2和O2
生成0.14molH2轉(zhuǎn)移電子為0.14mol×2=0.28mol,所以陰極析出Cu的物質(zhì)的量=$\frac{0.4mol-0.28mol}{2}$=0.06mol.
令陽極氣體中Cl2、O2的物質(zhì)的量分別為xmol、ymol,根據(jù)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)和產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量,則:$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.14}\\{2x+4y=0.4}\end{array}\right.$,解得x=0.08,y=0.06,
所以整個(gè)電解過程分為三段:
第一階段,氯離子、銅離子放電,陽極產(chǎn)生0.06molCl2,陰極產(chǎn)生0.06molCu,此時(shí)溶液的pH變化不大;
第二階段,氯離子、水放電,陽極產(chǎn)生0.02molCl2,陰極產(chǎn)生0.02molH2,此時(shí)溶液中產(chǎn)生0.04molOH-,溶液的pH增大;
第三階段,電解水生成氫氣與氧氣,陽極產(chǎn)生0.06molO2,陰極產(chǎn)生0.12molH2,此時(shí)溶液中OH-濃度基本不變;
所以溶液中c(OH-)=$\frac{0.04mol}{4L}$=0.01mol/L,故溶液pH=-lg$\frac{10{\;}^{-14}}{0.01}$=12,故答案為:12.

點(diǎn)評(píng) 本題考查了原電池、電解池工作原理及相關(guān)計(jì)算,熟悉原電池、電解池工作原理及各個(gè)電極發(fā)生反應(yīng)是解題關(guān)鍵,題目難度中等.

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