Question

新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH₄和O₂，電解質為KOH溶液．某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液的電解實驗，如圖所示．

回答下列問題：
（1）甲烷燃料電池正極的電極反應式為

 

、負極的電極反應式為

 

．
（2）閉合K開關后，a、b電極上均有氣體產生．其中b電極上得到的是

 

，電解氯化鈉溶液的化學方程式為

 

；若電解一段時間后，石墨棒上產生標準狀況下的Cl₂ 224mL，電解后的溶液總體積為200mL，
則溶液的pH=

 

．
（3）若每個電池甲烷通入量為 1L（標準狀況），且反應完全，則理論上通過電解池的電量為

 

（法拉第常數F=9.65×l0⁴C?mol^-1，列式計算），最多能產生的氯氣體積為

 

L （標準狀況）．

Answer 1

分析：（1）甲烷燃料電池中，正極發生還原反應，氧氣得電子被還原，負極發生氧化反應，甲烷被氧化生成碳酸鹽和水；
（2）閉合K開關后，a為陽極，b為陰極，結合電極方程式計算；
（3）根據關系式1 mol CH₄～8 mol e^-～4 mol Cl₂計算．

解答：解：（1）燃料電池中，正極上氧氣得電子和水反應生成氫氧根離子，電極反應式為：2O₂+4H₂O+8e^-=8OH^-，負極上甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應式為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，故答案為：2O₂+8e^-+4H₂O=8OH^-；CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2）閉合K開關后，a為陽極，b為陰極，電解飽和氯化鈉溶液時，陽極上氯離子放電生成氯氣，陰極上氫離子放電生成氫氣，同時溶液中產生氫氧化鈉，電解氯化鈉溶液的化學方程式為2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，
n（Cl₂）=

0.224L

22.4L/mol

=0.01mol/L，
由方程式可知n（NaOH）=0.02mol，
則c（OH^-）=

0.02mol

0.2L

=0.1mol/L，則pH=13，
故答案為：H₂；2NaCl+2H₂O

電解  .

2NaOH+H₂↑+Cl₂↑；13；
（3）根據得失電子守恒，可得：1 mol CH₄～8 mol e^-～4 mol Cl₂，故若每個電池甲烷通入量為1 L（標準狀況），生成4L Cl₂；電解池通過的電量為

1L

22.4L/mol

×8×9.65×10⁴C?mol^-1=3.45×10⁴C（題中雖然有兩個燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個池的甲烷量計算），
故答案為：

1L

22.4L/mol

×8×9.65×10⁴C?mol^-1=3.45×10⁴C；4．

點評：本題涵蓋電解池和原電池的主體內容，涉及電極判斷與電極反應式書寫等問題，做題時注意從氧化還原的角度判斷原電池的正負極以及電極方程式的書寫，本題中難點和易錯點為電極方程式的書寫．