Question

13．高鐵酸鉀（K₂FeO₄）具有高效的消毒作用，為一種新型非氯高效消毒劑．電解法制備高鐵酸鉀操作簡便，產率高，易于實驗室制備．其原理如圖所示，其總電解反應為：
Fe+2NaOH+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂FeO₄+3H₂↑．
Ⅰ．實驗過程中，X電極有氣體產生，Y極區溶液逐漸變成紫紅色；停止實驗，鐵電極明顯變細，電解液仍然澄清．查閱資料發現，高鐵酸根（FeO${\;}_{4}^{2-}$）在溶液中呈紫紅色．
（1）電解過程中，X極是陰極．
（2）生成高鐵酸根（FeO${\;}_{4}^{2-}$）的電極反應是Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
Ⅱ．若用不同種電池作為上述實驗的電源，請分析電池反應．
（1）鉛蓄電池總的化學方程式為：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;放電\;}}{充電}$2H₂O+2PbSO₄，則該鉛蓄電池在充電時的陽極反應為
PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺，若用此電池向外電路輸出2mol電子，正極增重64g，電解質溶液消耗的硫酸根離子為1mol．
（2）肼（N₂H₄）-空氣燃料電池是一種堿性燃料電池，電解質溶液是20%～30%的KOH溶液，放電時負極的電極反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂+4H₂O．
（3）以丙烷（C₃H₈）為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂，負極通入丙烷，導電電解質是熔融金屬氧化物，寫出該電池負極的電極反應C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O．
（4）當制備相同物質的量的高鐵酸鉀時，理論上上述三種電池中分別消耗的Pb、肼、丙烷的物質的量之比是10：10：5：1．

Answer 1

分析 Ⅰ．根據電源的正負極判斷電解池中電極名稱；
（2）該電解池中，陽極材料是活潑金屬，則電解池工作時，陽極上鐵失電子發生氧化反應，同時氫氧根離子失電子生成氧氣，陰極上氫離子得電子發生還原反應；
Ⅱ．（1）充電時，陽極上硫酸鉛失電子發生氧化反應，PbSO₄（s）+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-；正極發生反應：PbO₂+SO₄^2-+4H⁺+2e^-=PbSO₄+2H₂O，據此計算回答；
（2）從作為燃料電池時，負極發生氧化反應的角度可知N₂H₄被氧化生成N₂；
（3）丙烷燃料電池的負極是燃料發生失電子的氧化反應，負極反應=電池反應-正極反應；
（4）制備相同物質的量的高鐵酸鉀時轉移的電子數相等，據此計算回答．

解答 解：Ⅰ．（1）X電極連接原電池負極，所以是電解池陰極，故答案為：陰；
（2）鐵是活潑金屬，電解池工作時，陽極上鐵失電子發生氧化反應，氫氧根離子失電子發生氧化反應，所以發生的電極反應式為：Fe-6e^-+8OH^-═FeO₄^2-+4H₂O和4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
Ⅱ．（1）充電時，陽極上硫酸鉛失電子和水反應生成二氧化鉛、硫酸根離子和氫離子，電極反應式為PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺，若用此電池向外電路輸出2mol電子，此時正極發生反應：PbO₂+SO₄^2-+4H⁺+2e^-=PbSO₄+2H₂O，此時正極從二氧化鉛到硫酸鉛，電極上相當于增加1molSO₂成分，質量增加64g，消耗硫酸根離子1mol，故答案為：PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺；64；1．
（2）作為燃料電池時，負極發生氧化反應，電解質溶液是20%-30%的KOH溶液，N₂H₄失去電子被氧化生成N₂，故答案為：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂+4H₂O；
（3）以丙烷（C₃H₈）為燃料制作新型燃料電池，導電電解質是熔融金屬氧化物，電池反應為：，C₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂O，電池的正極通入O₂，發生反應：O₂+4e^-=2O^2-，負極通入丙烷，發生失電子的氧化反應，電池反應-正極反應=負極反應，C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O，故答案為：C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O．
（4）1molPb、Cd、肼、丙烷失去的電子分別為2mol、2mol、4mol、20mol，所以根據得失電子守恒可知，Pb、Cd、肼、丙烷的物質的量之比是10：10：5：1，
故答案為：10：10：5：1．

點評 本題考查了原電池和電解池原理以及燃料電池電極反應式的書寫和電子守恒的計算知識，綜合性強，難度較大．