Question

如图所示，某同学设计了一个燃料电池并探究氯碱工业原理的相关问题，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)石墨电极(C)作___极，丙池中滴有酚酞，实验开始后观察到的现象是_____，甲中甲烷燃料电池的负极反应式为________。

(2)若消耗2.24 L(标况)氧气，则乙装置中铁电极上生成的气体体积(标况)为___ L。

(3)丙中以CuSO₄溶液为电解质溶液进行粗铜(含Al、Zn、Ag、Pt、Au等杂质)的电解精炼，下列说法正确的是_______。

A．b电极为粗铜

B．粗铜接电源正极，发生还原反应

C．CuSO₄溶液的浓度保持不变

D．利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属

(4)若丙中以稀H₂SO₄为电解质溶液，电极材料b为铝，则能使铝表面生成一层致密的氧化膜，该电极反应式为__________。

(5)假设乙装置中氯化钠溶液足够多，若在标准状况下，有224 mL氧气参加反应，则乙装置中阳离子交换膜，左侧溶液质量将_______，（填“增大”“减小”或“不变”），且变化了_____克。

Answer

阳 两电极均有气泡冒出，左边a电极附近溶液变红 CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O 4.48 AD 2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+ 增大 0.88

【解析】

在燃料电池中，投放燃料的电极是负极，投放氧化剂的电极是正极。在甲池中通入O2的Pt电极为正极，通入CH4的Pt电极为负极。

(1)与原电池负极相连的为电解池的阴极，与正极相连的电极为阳极，阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应，据此分析实验现象；

(2)根据串联电路中转移电子数相等计算铁电极上生成氢气的体积；

(3)铜的精炼时，粗铜为阳极，纯铜为阴极，阳极上Cu以及活泼性比Cu强的金属失电子，阴极上铜离子得电子生成Cu；

(4)电极材料b为铝，b为阳极，Al失电子生成氧化铝；

(5)根据氧气的体积计算氧气的物质的量，然后计算电子转移的物质的量，结合同一闭合回路中电子转移数目相等，Fe电极上H+变为H2，C电极上Cl-变为Cl2，乙池中，乙装置中是阳离子交换膜，只允许Na+通过，根据Na+带一个单位正电荷，其物质的量与电子转移的物质的量相等，通过比较增加与减少的质量，确定左侧质量变化情况。

(1)甲池中通入燃料CH4的电极为负极，通入O2的电极为正极，根据图示可知乙池中Fe电极连接电源负极为阴极，石墨电极(C)连接电源正极，作阳极；

在丙池中滴有酚酞，a电极为阴极，发生反应：2H++2e-=H2↑，H+不断放电，破坏了附近溶液中H2O的电离平衡，最终达到平衡时，溶液中c(OH-)>c(H+)，溶液显碱性，使酚酞试液变为红色；b电极为阳极，发生氧化反应：4OH--4e-=2H2O+O2↑，因此丙池实验开始后观察到的现象是：两电极均有气泡冒出，左边a电极附近溶液变红；

在燃料电池甲中，负极上CH4失电子发生氧化反应，与溶液中OH-结合形成CO32-，负极的因此负极的电极反应式为：CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O；

(2)串联电池中转移电子数相等，若在标准状况下，有2.24 L氧气参加反应，则转移电子的物质的量n(e-)=×4=0.4 mol，乙装置中铁电极上H+放电生成H2，每产生1 mol H2，转移2 mol电子，则转移0.4 mol电子时产生H2的物质的量为n(H2)==0.2 mol，试液反应产生H2在标准状况下的体积V(H2)=0.2 mol×22.4 L/mol=4.48 L；

(3)A．电解精炼铜，粗铜为阳极，与电源正极连接，精铜为阴极，与电源负极连接。a与负极相连为阴极，b电极连接电源正极为阳极，所以b电极材料为粗铜，A正确；

B．粗铜接电源正极，作阳极，阳极上发生氧化反应，B错误；

C．阳极上Cu以及活泼性比Cu强的金属失电子，阴极上铜离子得电子生成Cu，溶解的金属与析出的金属质量不相等，所以CuSO4溶液的浓度会改变，C错误；

D．粗铜为阳极，阳极上Ag、Pt、Au等活泼性比Cu弱的金属在阳极不反应，形成阳极泥，所以利用阳极泥可回收Ag、Pt、Au等金属，D正确；

故合理选项是AD；

(4)电极材料b为铝，b为阳极，Al失电子生成氧化铝，酸性条件下，能使阳极铝表面生成一层致密的氧化膜，则铝电极的电极方程式为：2Al+3H2O-6e-=Al2O3+6H+；

(5)n(O2)==0.01 mol，电子转移n(e-)=4n(O2)=0.04 mol，在乙池中，Fe电极为阴极，发生还原反应，电极反应式为：2H++2e-=H2↑，转移0.04 mol电子，放出H2的物质的量为0.02 mol，其质量m(H2)=0.02 mol×2 g/mol=0.04 g；由于乙装置中离子交换膜是阳离子交换膜，只允许阳离子Na+通过，左侧H+放电使溶液中阳离子减少，因此Na+由右侧向左侧通过， Na+带一个单位正电荷，转移0.04 mol电子，则左侧增加0.04 mol Na+，其质量是m(Na+)=0.04 mol×23 g/mol=0.92 g，由于左侧增加质量大于减少质量，因此左侧质量会增加，增加质量为△m=m(Na+)-m(H2)=0.92 g-0.04 g=0.88 g。