Question

16．（1）科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高，可用于航空航天．如图1所示装置中，以稀土金属材料为惰性电极，在两极上分别通入CH₄和空气，其中固体电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂固体，它在高温下能传导阳极生成的O^2-（O₂+4e^--→2O^2-）．
①c电极的名称为正极，d电极上的电极反应式为CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O．
②如图2所示电解100mL 0.5mol•L^-1 CuSO₄溶液，a电极上的电极反应式为4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑．若a电极产生56mL（标准状况）气体，则所得溶液的pH=1（不考虑溶液体积变化），若要使电解质溶液恢复到电解前的状态，可加入ac（填字母序号）．
a．CuO　  b．Cu（OH）₂  c．CuCO₃  d．Cu₂（OH）₂CO₃
（2）采取一定措施可防止钢铁腐蚀．下列装置中的烧杯里均盛有等浓度、等体积的NaCl溶液．
①在a～c装置中，能保护铁的是bc（填字母）．
②若用d装置保护铁，X极的电极材料应是锌（填名称）．

（3）某同学设计了一个甲醇燃料电池，并用该电池电解200mL一定浓度NaCl与CuSO₄混合溶液，其装置如图3：
①写出甲中通入甲醇这一极的电极反应式CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
②理论上乙中两极所得气体的体积随时间变化的关系如图4所示（气体体积已换算成标准状况下的体积），写出在t₁后，石墨电极上的电极反应式4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；在t₂时所得溶液的pH约为1．

Answer 1

分析 （1）①依据装置图中电流流向分析，c为正极，氧气的电子发生还原反应，d为负极，甲烷失电子发生氧化反应；
②图2是电解池，与电源正极连接的a电极为阳极，发生4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，b为阴极，发生为Cu²⁺+2e^-═Cu，结合电极方程式计算；
（2）①原电池的正极和电解池的阴极可以得到保护；
②装置为原电池，若用d装置保护铁，X极的电极材料应比铁活泼；
（3）电池通入甲醇的为负极，乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu，故图丙中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，根据氧气的量计算氢氧根离子的物质的量，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，根据公式计算得出C（H⁺），从而得出溶液的pH．

解答 解：（1）①图1是原电池，依据电流流向是从正极流向负极，c电极为正极，氧气得到电子发生还原反应，d电极为电池负极，甲烷失电子发生还原反应，在两极上分别通入CH₄和空气，其中固体电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂固体，它在高温下能传导阳极生成的O^2-离子，负极电极反应为：CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O；
故答案为：正极；CH₄+4O^2--8e^-═CO₂+2H₂O；
②如图2所示电解100mL0.5mol•L^-1CuSO₄溶液，发生的电解池反应为：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，
若a电极产生56mL（标准状况）气体为氧气，物质的量为0.0025mol，消耗氢氧根离子物质的量为0.01mol，溶液中生成氢离子物质的量为0.01mol，c（H⁺）=$\frac{0.01mol}{0.1L}$=0.1mol/L，pH=-lg0.1=1；
则所得溶液电解过程中CuSO₄溶液每损失2个Cu原子，就损失2个 O原子，相当于损失一个CuO，为了使CuSO₄溶液，恢复原浓度，应加入CuO，也可以加入CuCO₃，符合恢复溶液浓度的定量关系，但不能加入Cu（OH）₂、Cu₂（OH）₂CO₃，因为CuCO₃+H₂SO₄═CuSO₄+CO₂↑+H₂O，相当于加CuO，而Cu（OH）₂+H₂SO₄═CuSO₄+2H₂O、Cu₂（OH）₂CO₃+2H₂SO₄═2CuSO₄ +CO₂↑+3H₂O，除增加溶质外还增加了水，故选ac，
故答案为：1；ac；
（2）①装置中原电池的正极和电解池的阴极可以得到保护，a中Fe作阳极被腐蚀，b中Fe作阴极被保护，c中Fe作正极被保护，则bc可以保护铁，故答案为：bc；
②装置为原电池，若用d装置保护铁，X极的电极材料应比铁活泼可以选择锌，故答案为：锌；
（3）①甲醇燃料电池中，在碱性条件下，甲醇失电子生成碳酸根与水，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu，故图丙中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨电极上的电极反应式为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，t₁～t₂Ⅱ产生的气体体积=0.336L-0.224L=0.112L，阳极上生成112mL氧气需要n（OH^-）=$\frac{0.112L×4mol}{22.4L}$=0.02mol，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1．

点评 本题考查了原电池原理和电解池原理，能正确判断电池的类型及两极的反应是解本题的关键，题目难度中等，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，有助于培养学生的逻辑思维能力和发散思维能力，提高学生灵活运用基础知识解决实际问题的能力．