Question

9．如图是甲醇燃料电池工作的示意图，其中A、B、D均为石墨电极，C为铜电极．
Ⅰ．工作一段时间后，断开K，此时C电极质量减少3.2g．
（1）甲中负极的电解反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O
（2）乙溶液此时离子浓度由大到小的顺序是c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）
Ⅱ．连接K，继续电解一段时间，当A、B两极上产生的气体体积相同时
（3）乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为2.24L
（4）丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如图，则图中②线表示的是Fe²⁺离子的变化；此时要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要280mL 5.0moL/L NaOH溶液．

Answer 1

分析 Ⅰ（1）甲醇燃料电池是原电池反应，甲醇在负极失电子发生氧化反应，注意电解质溶液是碱性溶液；
（2）利用电子守恒，计算3.2g铜反应转移电子物质的量，再据100mL1mol/L的硫酸铜溶液中含有溶质的物质的量和电解后生成硫酸的物质的量计算离子浓度；
Ⅱ（3）A为阳极，始终是氢氧根离子放电，B为阴极，开始是铜离子放电，后来是氢离子放电，据电子守恒计算产生气体体积；据硫酸根离子守恒计算所得硫酸溶液的物质的量浓度；
（4）C电极为阳极，D电极为阴极，根据丙图可知溶液中有三种金属阳离子，而根据丙的成分可知溶液中只有两种金属阳离子，说明在电解过程中还有Cu²⁺生成，因此C电极是Cu做阳极，D电极是石墨做阴极，根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化确定曲线对应的离子，结合转移电子的物质的量计算．

解答 解：Ⅰ（1）甲醇燃料电池是原电池反应，甲醇在负极失电子发生氧化反应，电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（2）100mL1mol/L的硫酸铜溶液中含有铜离子0.1mo，硫酸根离子0.1mol，当电解硫酸铜溶液时，阴极反应式为：Cu²⁺+2e^-=Cu，阳极反应式为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，C极有3.2gCu即0.05mol溶解，转移电子0.1mol，A极反应掉氢氧根离子0.1mol，生成氢离子0.1mol，B极反应掉铜离子0.05mol，剩余铜离子0.05mol，硫酸根离子物质的量没有变化，溶液中还存在水的电离平衡，所以离子浓度大小顺序为：c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-），
故答案为：c（H⁺）＞c（SO₄^2-）＞c（Cu²⁺）＞c（OH^-）；
Ⅱ（3）工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同，分析电极反应，B为阴极，溶液中铜离子析出，氢离子得到电子生成氢气，设生成气体物质的量为X，溶液中铜离子物质的量为0.1mol，电极反应为：
Cu²⁺+2e^-=Cu，2H⁺+2e^-=H₂↑；
0.1mol 0.2mol 2x x
A电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为：
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
4x x
得到0.2+2x=4x
x=0.1mol
乙中A极析出的气体是氧气物质的量为0.1mol，在标准状况下的体积为2.24L；
故答案为：2.24L；
（4）根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化，可知，铜离子从无增多，铁离子物质的量减小，亚铁离子增加，①为Fe³⁺，②为Fe²⁺，③为Cu²⁺，
依据（3）计算得到电子转移为0.2mol，当电子转移为0.2mol时，丙中阳极电极反应Cu-2e-=Cu²⁺，生成Cu²⁺物质的量为0.1mol，图象分析每个单位为0.05mol，阴极电极反应Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，溶液中有Fe³⁺ 0.2mol，Fe²⁺ 0.3mol，Cu²⁺为0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等体积为1.4mol5mol/L=0.28L=280ml，
故答案为：Fe²⁺；280．

点评 本题综合性较大，涉及燃料电池、离子浓度大小比较、电极反应式书写以及据电极反应式的计算，为高考常见题型，难度较大．