Question

10．某校化學興趣小組為了探究原電池工作原理和鋼鐵的腐蝕與防護，進行如下系列實驗．

（1）在相同條件下，①②③組裝置中鐵電極腐蝕最快的是①（填裝置序號），該裝置中正極電極反應式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；為防止金屬Fe被腐蝕，可以采用上述③（填裝置序號）裝置原理進行防護，該方法的名稱為外加電流陰極保護．
（2）裝置④中銅片、鋅片表面均有紅色物質析出，電流計指針偏轉，但較短時間內電流即明顯減小．實驗結束時測得鋅片減少了3.94g，銅片增重了3.84g，則該原電池的工作效率是60%（指參加原電池反應的鋅占反應總量的百分率）；裝置⑤中如果Zn的消耗速率為1×10^-3 mol/s，則K⁺的遷移速率為2×10^-3mol/s．
（3）新型固體LiFePo₄隔膜電池廣泛應用于電動汽車．
電池反應為FePO₄+Li$?_{充電}^{放電}$  LiFePO₄，電解質為含Li⁺的導電固體，且充、放電時電池內兩極間的隔膜只允許Li⁺自由通過而導電．該電池放電時Li⁺向正極移動（填“正”或“負”），負極反應為Li-e^-=Li⁺，則正極反應式為FePO₄+e^-+Li⁺=LiFePO₄．

Answer 1

分析 （1）①裝置為原電池鐵為負極被腐蝕；②裝置為原電池鋅做負極被腐蝕，鐵做正極被保護；③裝置為電解池，鐵做陰極被保護；
（2）由于鋅片和銅片都有銅析出，需要利用差量法進行計算反應消耗的鋅的質量，再根據銅片質量增加的物質的量計算出參加原電池反應的鋅的物質的量，最后計算出原電池工作效率；根據原電池工作中電流方向判斷，鉀離子與電流方向一致；根據電荷守恒判斷鉀離子流到速率；
（3）原電池中陽離子移向正極；依據總反應方程式和負極電極反應計算得到正極電極反應式．

解答 解：（1）①裝置為原電池鐵為負極被腐蝕；②裝置為原電池鋅做負極被腐蝕，鐵做正極被保護；③裝置為電解池，鐵做陰極被保護；①組裝置中鐵電極腐蝕最快；正極反應是氧氣得到電子發生還原反應，電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；②③裝置中鐵被保護，③為外加電流陰極保護，效果最好，故答案為：①；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；③；外加電流陰極保護法；
（2）銅片、鋅片表面均有紅色物質銅析出，理解減小的質量為：3.94g-3.84g=0.1g，
根據反應關系式：Zn～Cu△m（減小）
                65 64   1
              6.5g    0.1g
參加反應的鋅的質量為6.5g，
根據電子守恒，參加原電池反應的鋅的物質的量為n（Zn）=n（Cu）=$\frac{3.84g}{64g/mol}$=0.06mol，該原電池的工作效率為：$\frac{0.06mol×65g/mol}{6.5g}$×100%=60%
銅為正極，鋅為負極，電流在外電路有銅流向鋅，溶液中電流由鋅流向銅，所以鉀離子流向硫酸銅溶液，氯離子流向硫酸鋅溶液；根據電荷守恒可知，如果Zn的消耗速率為1×10^-3mol/s，則鉀離子則K⁺的遷移速率為2×10^-3
故答案為：60%；2×10^-3；
（3）FePO₄+Li$?_{充電}^{放電}$LiFePO₄ 放電過程是原電池，總反應方程式減去負極反應得到正極電極反應：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；
故答案為：正；FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．

點評 本題考查了金屬腐蝕與防護的方法和應用，原電電解池電極反應書寫應用，題目難度中等，書寫電極反應式是解題的關鍵．