Question

【題目】如圖所示，某同學設計了一個燃料電池并探究氯堿工業原理的相關問題，其中乙裝置中X為陽離子交換膜。請按要求回答相關問題：

(1)石墨電極(C)作___極，丙池中滴有酚酞，實驗開始后觀察到的現象是_____，甲中甲烷燃料電池的負極反應式為________。

(2)若消耗2.24 L(標況)氧氣，則乙裝置中鐵電極上生成的氣體體積(標況)為___ L。

(3)丙中以CuSO4溶液為電解質溶液進行粗銅(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等雜質)的電解精煉，下列說法正確的是_______。

A．b電極為粗銅

B．粗銅接電源正極，發生還原反應

C．CuSO4溶液的濃度保持不變

D．利用陽極泥可回收Ag、Pt、Au等金屬

(4)若丙中以稀H2SO4為電解質溶液，電極材料b為鋁，則能使鋁表面生成一層致密的氧化膜，該電極反應式為__________。

(5)假設乙裝置中氯化鈉溶液足夠多，若在標準狀況下，有224 mL氧氣參加反應，則乙裝置中陽離子交換膜，左側溶液質量將_______，（填“增大”“減小”或“不變”），且變化了_____克。

Answer 1

【答案】陽 兩電極均有氣泡冒出，左邊a電極附近溶液變紅 CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O 4.48 AD 2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+ 增大 0.88

【解析】

在燃料電池中，投放燃料的電極是負極，投放氧化劑的電極是正極。在甲池中通入O2的Pt電極為正極，通入CH4的Pt電極為負極。

(1)與原電池負極相連的為電解池的陰極，與正極相連的電極為陽極，陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應，據此分析實驗現象；

(2)根據串聯電路中轉移電子數相等計算鐵電極上生成氫氣的體積；

(3)銅的精煉時，粗銅為陽極，純銅為陰極，陽極上Cu以及活潑性比Cu強的金屬失電子，陰極上銅離子得電子生成Cu；

(4)電極材料b為鋁，b為陽極，Al失電子生成氧化鋁；

(5)根據氧氣的體積計算氧氣的物質的量，然后計算電子轉移的物質的量，結合同一閉合回路中電子轉移數目相等，Fe電極上H+變為H2，C電極上Cl-變為Cl2，乙池中，乙裝置中是陽離子交換膜，只允許Na+通過，根據Na+帶一個單位正電荷，其物質的量與電子轉移的物質的量相等，通過比較增加與減少的質量，確定左側質量變化情況。

(1)甲池中通入燃料CH4的電極為負極，通入O2的電極為正極，根據圖示可知乙池中Fe電極連接電源負極為陰極，石墨電極(C)連接電源正極，作陽極；

在丙池中滴有酚酞，a電極為陰極，發生反應：2H++2e-=H2↑，H+不斷放電，破壞了附近溶液中H2O的電離平衡，最終達到平衡時，溶液中c(OH-)>c(H+)，溶液顯堿性，使酚酞試液變為紅色；b電極為陽極，發生氧化反應：4OH--4e-=2H2O+O2↑，因此丙池實驗開始后觀察到的現象是：兩電極均有氣泡冒出，左邊a電極附近溶液變紅；

在燃料電池甲中，負極上CH4失電子發生氧化反應，與溶液中OH-結合形成CO32-，負極的因此負極的電極反應式為：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O；

(2)串聯電池中轉移電子數相等，若在標準狀況下，有2.24 L氧氣參加反應，則轉移電子的物質的量n(e-)=×4=0.4 mol，乙裝置中鐵電極上H+放電生成H2，每產生1 mol H2，轉移2 mol電子，則轉移0.4 mol電子時產生H2的物質的量為n(H2)==0.2 mol，試液反應產生H2在標準狀況下的體積V(H2)=0.2 mol×22.4 L/mol=4.48 L；

(3)A．電解精煉銅，粗銅為陽極，與電源正極連接，精銅為陰極，與電源負極連接。a與負極相連為陰極，b電極連接電源正極為陽極，所以b電極材料為粗銅，A正確；

B．粗銅接電源正極，作陽極，陽極上發生氧化反應，B錯誤；

C．陽極上Cu以及活潑性比Cu強的金屬失電子，陰極上銅離子得電子生成Cu，溶解的金屬與析出的金屬質量不相等，所以CuSO4溶液的濃度會改變，C錯誤；

D．粗銅為陽極，陽極上Ag、Pt、Au等活潑性比Cu弱的金屬在陽極不反應，形成陽極泥，所以利用陽極泥可回收Ag、Pt、Au等金屬，D正確；

故合理選項是AD；

(4)電極材料b為鋁，b為陽極，Al失電子生成氧化鋁，酸性條件下，能使陽極鋁表面生成一層致密的氧化膜，則鋁電極的電極方程式為：2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+；

(5)n(O2)==0.01 mol，電子轉移n(e-)=4n(O2)=0.04 mol，在乙池中，Fe電極為陰極，發生還原反應，電極反應式為：2H++2e-=H2↑，轉移0.04 mol電子，放出H2的物質的量為0.02 mol，其質量m(H2)=0.02 mol×2 g/mol=0.04 g；由于乙裝置中離子交換膜是陽離子交換膜，只允許陽離子Na+通過，左側H+放電使溶液中陽離子減少，因此Na+由右側向左側通過， Na+帶一個單位正電荷，轉移0.04 mol電子，則左側增加0.04 mol Na+，其質量是m(Na+)=0.04 mol×23 g/mol=0.92 g，由于左側增加質量大于減少質量，因此左側質量會增加，增加質量為△m=m(Na+)-m(H2)=0.92 g-0.04 g=0.88 g。