Question

【題目】以甲烷為燃料的新型電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統燃料電池，目前得到廣泛的研究，如圖是目前研究較多的一類固體氧化物燃料電池工作原理示意圖。回答下列問題：

(1)B極電極反應式為______________________。

(2)若用該燃料電池作電源，用石墨作電極電解硫酸銅溶液，寫出陽極的電極反應式________；當陽極收集到11.2L（標準狀況）氣體時，消耗甲烷的質量為__________g；電解硫酸銅溶液一段時間后，陰極無氣體產生，要使原溶液復原，可向電解后的溶液中加入___________________。

(3)目前已開發出用電解法制取ClO2的新工藝，簡易裝置如圖所示：

①若用上述甲烷燃料電池進行電解，則甲烷燃料電池的負極應該接該裝置的_____（填“左”或“右”）邊電極；寫出陽極產生ClO2的電極反應式___________。

②電解一段時間，當陰極產生的氣體體積為112mL(標準狀況下)時，停止電解。通過陽離子交換膜的陽離子的數目為__________。

Answer 1

【答案】CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O 2H2O-4e-=O2↑+4H+ 4 CuO 右 Cl--5e-+2H2O=ClO2+4H+ 0.01NA

【解析】

(1)B電極CH4變為CO2，根據陰離子移動方向，結合原電池反應原理，判斷電極的正負，并寫出電極反應式；

(2)用惰性電極電解硫酸銅溶液，陽極上溶液中OH-放電；陰極上溶液中的Cu2+放電；若陰極無氣體放出，說明陰極只發生了反應：Cu2++2e-=Cu；兩個電極析出的物質反應后得到的物質就是使溶液復原需加入的物質；

(3)①根據離子移動方向確定電解池的陽極、陰極，電解池的陰極接電源的負極；陽極上Cl-失去電子變為ClO2；

②陰極上溶液中的H+獲得電子變為氫氣，根據電子轉移守恒，計算通過陽離子交換膜的陽離子的數目。

(1)由陰離子移動方向可知B電極為負極，在負極上甲烷失電子發生氧化反應，電極反應式為：CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O；

(2)用石墨電極電解硫酸銅溶液，石墨電極為惰性電極，電解硫酸銅溶液，實質上是溶液中的離子放電。在陽極上溶液中OH-放電，所以陽極的電極反應式為：2H2O-4e-=O2↑+4H+；陰極上溶液中的Cu2+放電，電極反應式為Cu2++2e-=Cu；陽極產生的是O2，每產生1molO2，轉移4mol電子，n(O2)=11.2L÷22.4L/mol=0.5mol，則n(e-)=0.5×4=2mol，由于同一閉合回路中電子轉移數目相等，所以根據CH4-8e-+4O2-=CO2+2H2O可知消耗1mol甲烷，轉移8mol電子，則轉移2mol電子，會消耗CH4的物質的量為n(CH4)=2mol÷8=0.25mol，則消耗甲烷的質量為m(CH4)=0.25mol×16g/mol=4g；

電解硫酸銅溶液一段時間后，若陰極無氣體產生，則電解反應方程式為：2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4，要使原溶液復原，可向電解后的溶液中加入的物質是Cu與O2反應產生的CuO；

(3)①Na+向陰極移動，陰極連接原電池的負極，接燃料電池中通入甲烷的電極；所以甲烷燃料電池的負極應該接該裝置的右邊的電極；在陽極上，溶液中的Cl-失去電子，變為ClO2，電極反應式為：Cl--5e-+2H2O=ClO2+4H+；

②陰極電極反應為2H2O+2e-=H2↑+2OH-，氫氣的物質的量為n(H2)=0.112L÷22.4L/mol=0.005mol，陰極區產生0.01molOH-，通過陽離子交換膜的是+1價陽離子，故通過陽離子交換膜的陽離子的物質的量為0.01mol，通過的陽離子的數目為0.01NA。