Question

9．磷酸鐵鋰動力電池（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
（Li_xC₆表示鋰原子嵌入石墨形成的復合材料．）
（1）磷酸鐵鋰電池放電時，正極反應式為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，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(zhì)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）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．

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(zhuǎn)移電子數(shù)相同，依據(jù)Cu²⁺+2e^-=Cu，計算轉(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)生氧化反應結(jié)合氫氧根離子生成高鐵酸根離子；
（4）當電路中通過0.4mol電子的電量時，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)的量列方程計算，據(jù)此判斷整個電解過程中各階段發(fā)生的反應，據(jù)此計算．

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(zhuǎn)移2mol電子，析出64g銅，所以陰極質(zhì)量增重19.2g時，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(zhì)溶液制備高鐵酸鈉（Na₂FeO₄），陽極三氧化二鐵失去電子發(fā)生氧化反應結(jié)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）根據(jù)題意可知，當電路中通過0.4mol電子的電量時，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．

點評 本題考查了原電池、電解池工作原理及相關(guān)計算，熟悉原電池、電解池工作原理及各個電極發(fā)生反應是解題關(guān)鍵，題目難度中等．