Question

9．磷酸铁锂动力电池（LiFePO₄电池）的内部结构如图所示．中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，锂离子可以通过而电子不能通过．该电池的总反应式为：Li_1-xFePO₄+Li_xC₆═C₆+LiFePO₄
（Li_xC₆表示锂原子嵌入石墨形成的复合材料．）
（1）磷酸铁锂电池放电时，正极反应式为Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+x e^-═LiFePO₄．
（2）若用该电池电解精炼铜，阴极质量增重19.2g时，则电池中通过聚合物隔膜的Li⁺数目为0.6N_A．
（3）以该电池为电源，用Fe₂O₃为阳极，石墨为阴极，NaOH溶液为电解质溶液制备高铁酸钠（Na₂FeO₄），写出阳极的电极反应式Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O．
（4）以该电池为电源，用惰性电极电解4L硫酸铜和氯化钠的混合溶液，若两极均产生0.14mol气体，电路中共有0.4mol的电子转移，则电解后溶液的pH为12．

Answer 1

分析 （1）放电时，Li_1-xFePO₄在正极上得电子发生还原反应；
（2）若用该电池电解精炼铜，依据串联电路中各个电极转移电子数相同，依据Cu²⁺+2e^-=Cu，计算转移电子数；
（3）用Fe₂O₃为阳极，石墨为阴极，NaOH溶液为电解质溶液，阳极三氧化二铁失去电子发生氧化反应结合氢氧根离子生成高铁酸根离子；
（4）当电路中通过0.4mol电子的电量时，阴阳两极都产生0.14mol的气体，阴极产生的气体为H₂，阳极产生的气体为Cl₂和O₂，生成0.14molH₂转移电子为0.14mol×2=0.28mol，所以阴极析出Cu的物质的量=$\frac{0.4mol-0.28mol}{2}$=0.06mol，令阳极气体中Cl₂、O₂的物质的量分别为xmol、ymol，根据转移的电子数和产生气体的物质的量列方程计算，据此判断整个电解过程中各阶段发生的反应，据此计算．

解答 解：（1）放电时，Li_（1-x）FePO₄在正极上得电子，其正极反应为：Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+x e^-═LiFePO₄；
故答案为：Li_（1-x）FePO₄+xLi⁺+x e^-═LiFePO₄；
（2）电解精炼铜，阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，每转移2mol电子，析出64g铜，所以阴极质量增重19.2g时，转移电子数为：$\frac{19.2g}{64g/mol}$×2=0.6mol，电池与电解池为串联，所以当电解池中转移0.6mol电子，电池中转移电子数为0.6mol，锂离子带1个单位正电荷，则电池中通过聚合物隔膜的Li⁺数目为0.6N_A；
故答案为：0.6N_A；
（3）用Fe₂O₃为阳极，石墨为阴极，NaOH溶液为电解质溶液制备高铁酸钠（Na₂FeO₄），阳极三氧化二铁失去电子发生氧化反应结合氢氧根离子生成高铁酸根离子，电极反应式为：Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O；
故答案为：Fe₂O₃-6e^-+10OH^-═2FeO₄^2-+5H₂O；
（4）根据题意可知，当电路中通过0.4mol电子的电量时，阴阳两极都产生0.14mol的气体，阴极产生的气体为H₂，阳极产生的气体为Cl₂和O₂，
生成0.14molH₂转移电子为0.14mol×2=0.28mol，所以阴极析出Cu的物质的量=$\frac{0.4mol-0.28mol}{2}$=0.06mol．
令阳极气体中Cl₂、O₂的物质的量分别为xmol、ymol，根据转移的电子数和产生气体的物质的量，则：$\left\{\begin{array}{l}{x+y=0.14}\\{2x+4y=0.4}\end{array}\right.$，解得x=0.08，y=0.06，
所以整个电解过程分为三段：
第一阶段，氯离子、铜离子放电，阳极产生0.06molCl₂，阴极产生0.06molCu，此时溶液的pH变化不大；
第二阶段，氯离子、水放电，阳极产生0.02molCl₂，阴极产生0.02molH₂，此时溶液中产生0.04molOH^-，溶液的pH增大；
第三阶段，电解水生成氢气与氧气，阳极产生0.06molO₂，阴极产生0.12molH₂，此时溶液中OH^-浓度基本不变；
所以溶液中c（OH^-）=$\frac{0.04mol}{4L}$=0.01mol/L，故溶液pH=-lg$\frac{10{\;}^{-14}}{0.01}$=12，故答案为：12．

点评 本题考查了原电池、电解池工作原理及相关计算，熟悉原电池、电解池工作原理及各个电极发生反应是解题关键，题目难度中等．