Question

9．氫氧燃料電池是將H₂通入負極，O₂通入正極而發生電池反應的，其能量轉換率高．
（1）若電解質溶液為KOH，其正極反應為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，負極反應為2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O．
（2）若電解質溶液為硫酸，其正極反應為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，負極反應為2H₂-4e^-=4H⁺．
（3）若用氫氧燃料電池電解由NaCl和CuSO₄組成的混合溶液，其中c（Na⁺）=3c（Cu²⁺）=0.3mol•L^-1，取該混合液100mL用石墨做電極進行電解，通電一段時間后，在陰極收集到0.112L（標準狀況）氣體．計算：
①電解池陽極生成氯氣的物質的量是0.015 mol．
②氫氧燃料電池中轉移的電子數目是0.03N_A個，消耗H₂的質量是0.03 g．（寫出計算過程）（保留2位小數）

Answer 1

分析 （1）氫氧燃料電池中，如果電解質溶液為堿，則正極上氧氣得電子和水生成氫氧根離子，陰極上氫氣失電子和氫氧根離子反應生成水；
（2）氫氧燃料電池中，如果電解質溶液為酸，則正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水，陰極上氫氣失電子生成氫離子；
（3）用氫氧燃料電池電解NaCl和CuSO₄組成的混合溶液時，陰極上先銅離子放電，后氫離子放電，根據轉移電子數相等計算陽極生成氯氣的物質的量和氫氧燃料電池外電路中轉移電子數，根據氫氣和轉移電子之間的關系式計算氫氣的質量．

解答 解：（1）氫氧燃料電池中，如果電解質溶液為堿，則正極上氧氣得電子和水生成氫氧根離子，電極反應式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，陰極上氫氣失電子和氫氧根離子反應生成水，電極反應式為2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O；
（2）氫氧燃料電池中，如果電解質溶液為酸，則正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水，電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，陰極上氫氣失電子生成氫離子，電極反應式為：2H₂-4e^-=4H⁺，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；2H₂-4e^-=4H⁺；
（3）用氫氧燃料電池電解NaCl和CuSO₄組成的混合溶液時，陰極上先銅離子放電，后氫離子放電，c（Na⁺）=3c（Cu²⁺）=0.3mol•L^-1，即混合溶液中銅離子的濃度是0.1mol/L，100mL混合溶液中n（Cu²⁺）=0.1mol/L×0.1L=0.01mol，
析出0.01mol銅需要轉移0.02mol電子，陰極上生成氫氣需要轉移電子的物質的量=$\frac{0.112}{22.4}$×2=0.01mol，串聯電路中轉移電子數相等，所以氫氧燃料電池外電路中轉移電子數為0.03mol，
①電解池陽極生成氯氣的物質的量是$\frac{0.03mol}{2}$=0.015mol，故答案為：0.015；
②串聯電路中轉移電子數相等，所以氫氧燃料電池外電路中轉移電子數也為0.03N_A，則消耗氫氣的質量=$\frac{（0.02+0.01）mol}{2}$×2g/mol=0.03g，
故答案為：0.03N_A；0.03．

點評 本題考查原電池原理及其相關計算，注意氫氧燃料電池中，電極反應式的書寫要結合電解質溶液，電解質溶液不同則電極反應式不同．