Question

9．氢氧燃料电池是将H₂通入负极，O₂通入正极而发生电池反应的，其能量转换率高．
（1）若电解质溶液为KOH，其正极反应为O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，负极反应为2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O．
（2）若电解质溶液为硫酸，其正极反应为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，负极反应为2H₂-4e^-=4H⁺．
（3）若用氢氧燃料电池电解由NaCl和CuSO₄组成的混合溶液，其中c（Na⁺）=3c（Cu²⁺）=0.3mol•L^-1，取该混合液100mL用石墨做电极进行电解，通电一段时间后，在阴极收集到0.112L（标准状况）气体．计算：
①电解池阳极生成氯气的物质的量是0.015 mol．
②氢氧燃料电池中转移的电子数目是0.03N_A个，消耗H₂的质量是0.03 g．（写出计算过程）（保留2位小数）

Answer 1

分析 （1）氢氧燃料电池中，如果电解质溶液为碱，则正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子，阴极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水；
（2）氢氧燃料电池中，如果电解质溶液为酸，则正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，阴极上氢气失电子生成氢离子；
（3）用氢氧燃料电池电解NaCl和CuSO₄组成的混合溶液时，阴极上先铜离子放电，后氢离子放电，根据转移电子数相等计算阳极生成氯气的物质的量和氢氧燃料电池外电路中转移电子数，根据氢气和转移电子之间的关系式计算氢气的质量．

解答 解：（1）氢氧燃料电池中，如果电解质溶液为碱，则正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子，电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，阴极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，电极反应式为2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O，
故答案为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；2H₂-4e^-+4OH^-=4H₂O；
（2）氢氧燃料电池中，如果电解质溶液为酸，则正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，阴极上氢气失电子生成氢离子，电极反应式为：2H₂-4e^-=4H⁺，
故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；2H₂-4e^-=4H⁺；
（3）用氢氧燃料电池电解NaCl和CuSO₄组成的混合溶液时，阴极上先铜离子放电，后氢离子放电，c（Na⁺）=3c（Cu²⁺）=0.3mol•L^-1，即混合溶液中铜离子的浓度是0.1mol/L，100mL混合溶液中n（Cu²⁺）=0.1mol/L×0.1L=0.01mol，
析出0.01mol铜需要转移0.02mol电子，阴极上生成氢气需要转移电子的物质的量=$\frac{0.112}{22.4}$×2=0.01mol，串联电路中转移电子数相等，所以氢氧燃料电池外电路中转移电子数为0.03mol，
①电解池阳极生成氯气的物质的量是$\frac{0.03mol}{2}$=0.015mol，故答案为：0.015；
②串联电路中转移电子数相等，所以氢氧燃料电池外电路中转移电子数也为0.03N_A，则消耗氢气的质量=$\frac{（0.02+0.01）mol}{2}$×2g/mol=0.03g，
故答案为：0.03N_A；0.03．

点评 本题考查原电池原理及其相关计算，注意氢氧燃料电池中，电极反应式的书写要结合电解质溶液，电解质溶液不同则电极反应式不同．