Question

化学电源在日常生活和工业生产中有着重要的应用。

I.如下图所示，某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理和粗铜的精炼原理，其中乙装置中X为阳离子交换膜。请按要求回答相关问题

(1)甲烷燃料电池负极反应式是______________________。

(2)石墨(C)极的电极反应式为______________________。

(3)若在标准状况下，有2.24L氧气参加反应，则乙装置中铁极上生成的气体体积为___________L；丙装置中阴极析出铜的质量为___________g，一段时间后烧杯中c(Cu²⁺)___________(填“增大”、“减小”或“不变”)

Ⅱ.“长征”火箭发射使用的燃料是液态偏二甲肼(C₂H₈N₂)，并使用四氧化二氮作为氧化剂，这种组合的两大优点是，既能在短时间内产生巨大能量将火箭送上太空，产物又不污染空气(产物都是空气成分)。某校外研究性学习小组拟将此原理设计为原电池，如图所示，结合学习过的电化学原理分析其设计方案，回答相关问题：

(4)从a口加入___________(填名称)。H⁺移动方向是___________(填“A到B”或“B到A”)

(5)A极发生的电极反应式：______________________。

(6)若以该电池为电源用石墨做电极电解200mL0.5mol/L的CuSO₄溶液，电解一段时间后，两极收集到相同体积(相同条件)的气体，则整个电解过程转移的电子的数目是___________。

Answer

CH4－8e－＋10OH－=CO32-＋7H2O 2Cl－－2e－=Cl2↑ 4.48 12.8 减小 偏二甲肼 A到B C2H8N2-16e-+4H2O=2CO2↑+N2↑+16H+ 0.4NA(或2.408×1023)

【解析】

I.从原电池或电解池电极反应式的书写、基于转移电子关系的相关计算进行分析；Ⅱ.考察了燃料电池（原电池原理）的电极反应式、电子流向以及转移的电子数目计算。

I.甲为燃料电池，甲烷通入一极为负极，氧气通入一极为正极；乙为电解池，Fe为阴极，C为阳极，实质为电解饱和食盐水；丙为电解池，粗铜为阳极，精铜为阴极，实质为电解精炼铜。

(1)、甲烷燃料电池负极为CH4，失去电子后结合OH－生成CO32-,其反应式是CH4－8e－＋10OH－=CO32-＋7H2O

本题答案：CH4－8e－＋10OH－=CO32-＋7H2O

(2)、乙为电解池，Fe为阴极，C为阳极，实质为电解饱和食盐水，故石墨(C)极的电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑

本题答案：2Cl－－2e－=Cl2↑

(3)、标准状况下，2．24L氧气的物质的量为0．1mol，参与反应转移电子数为0．4mol ;铁电极为阴极，阳离子放电：2H＋＋2e－=H2，则放出氢气0．2mol，标准状况下体积为4．48L；丙装置中阴极反应式为：Cu2＋＋2e－=Cu，则析出铜0．2mol，即为12．8g。一段时间后烧杯中c(Cu2+)会减少。

本题答案：4.48；12.8；减小

(4)、外电路中电子由A电极流向B电极，由电子转移方向可知A为负极，B为正极，根据原电池原理，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，氧化剂在正极上得电子发生还原反应，则从a口通入偏二甲肼；内电路一般是阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，所以H+移动方向是A到B

本题答案：偏二甲肼；A到B

(5)、A为负极，还原剂在负极上失去电子发生氧化反应，又已知产物中气体均为空气组分，所以A极发生的电极反应式C2H8N2-16e-+4H2O=2CO2↑+N2↑+16H+

本题答案：C2H8N2-16e-+4H2O=2CO2↑+N2↑+16H+

(6)、两极收集到相同体积(相同条件)的气体，则阴极除了Cu2+＋2e－＝Cu，还应有2H+＋2e－＝H2↑，阳极的电极反应式4OH--4e－=2 H2O+O2↑,设生成n（O2）=n（H2）=x,

因为n（Cu2+）=0.5mol/L×0.2 L=0.1 mol，由得失电子守恒0.1×2+2x=4x，x=0.1mol，所以n（O2）=n（H2）=0.1 mol，则整个电解过程转移的电子的数目是 0.1 mol×4=0.4 mol ，即0.4NA

本题答案：0.4NA