Question

9．铅蓄电池是最常见的二次（可充型）电池，它的两极分别是覆盖Pb和PbO₂的惰性极板，电解质是一定浓度的硫酸溶液．电池总反应式为：Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-  $?_{充电}^{放电}$ 2PbSO₄+2H₂O
请回答下列问题（不考虑氢、氧的氧化还原）：
（1）该电池放电时：正极的电极反应式是PbO₂+2e^-+4H⁺+2SO₄^2-═PbSO₄+2H₂O；电解质溶液中H₂SO₄的浓度将变小（填“变大”、“变小”或“不变”）；当外电路通过1mol电子时，理论上负极极板的质量增加48 g．
（2）在完全放电耗尽A极上PbO₂和B极上Pb后，若按图1连接，电解一段时间后，则在A电极上生成Pb、B电极上生成PbO₂．若将外电源再换成一个小灯泡，小灯泡发光，此时铅蓄电池的负极是A（选填“A”或“B”）．
（3）某兴趣小组设计如下微型实验装置图2．

据此回答下列问题：
①当断开K₁，闭合K₂时，电流表指针发生偏转，则电流从石墨极流向铜极（选填“石墨”或“铜”），石墨电极上的电极反应式为O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-．
②当断开K₂，闭合K₁时，两极均有气泡产生，则石墨电极上的电极反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑．反应一段时间后铜电极附近溶液显红色．
（4）微生物燃料电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置．某微生物燃料电池的工作原理如图3所示：
①HS^-在硫氧化菌作用下转化为SO₄^2-的反应式是HS^-+4H₂O-8e^-=SO₄^2-+9H⁺．
②b极是燃料电池的正极（选填填“正”或“负”），其电极反应式为4H⁺+O₂+4e^-=2H₂O．

Answer 1

分析 （1）电池总反应式为：Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-  $?_{充电}^{放电}$ 2PbSO₄+2H₂O，写出电极反应为：负极电解反应：Pb-2e^-+SO₄^2-═PbSO₄ ，正极电极反应：PbO₂+2e^-+4H⁺+2SO₄^2-═PbSO₄+2H₂O，依据电解反应和电池原理分析判断；
（2）装置中是电解装置，电极上是析出的硫酸铅，所以是铅蓄电池的充电过程，依据电解原理分析；若将外电源再换成一个小灯泡，小灯泡发光，则为原电池装置，A极失电子为负极；
（3）①断开K₁，闭合K₂时，发现电流表指针偏转，证明是原电池反应，铜做负极失电子发生氧化反应，石墨做原电池正极氧气得电子发生还原反应，电流由正极流向负极；
②断开K₂，闭合K₁时，是电解池装置，两极均有气泡产生，两极均有气泡产生，说明两极产生的气体分别是氢气和氯气，因此活泼金属Cu不能做阳极，Cu做阴极，石墨做阳极，阳极上（石墨电极上）氯离子失电子发生氧化反应，阴极上（Cu电极上）氢离子得到电子发生还原反应，依据水的电离平衡，氢氧根离子浓度增大酚酞变红；
（4）由图可知硫酸盐还原菌可以将有机物氧化成二氧化碳，而硫氧化菌可以将硫氢根离子氧化成硫酸根离子，所以两种细菌存在，就会循环把有机物氧化成CO₂ 放出电子，负极上HS^-在硫氧化菌作用下转化为SO₄^2-，失电子发生氧化反应，电极反应式是HS^-+4H₂O-8e^-=SO₄^2-+9H⁺；正极上是氧气得电子的还原反应：4H⁺+O₂+4e^-=2H₂O，根据原电池的构成和工作原理知识来回答．

解答 解：（1）电池总反应式为：Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-  $?_{充电}^{放电}$ 2PbSO₄+2H₂O，放电时：负极是失电子的氧化反应：Pb-2e^-+SO₄^2-═PbSO₄ ，正极电极反应：PbO₂+2e^-+4H⁺+2SO₄^2-═PbSO₄+2H₂O，电解液中H₂SO₄的浓度将减少；当外电路通过1mol电子时，依据电子守恒计算理论上负极板的质量增加0.5mol×303g/mol-0.5mol×207g/mol=48g，故答案为：PbO₂+2e^-+4H⁺+2SO₄^2-═PbSO₄+2H₂O；变小；48；
（2）在完全放电耗尽PbO₂和Pb时，电极上析出的是PbSO₄，若按题右图连接B为阳极应是失去电子发生氧化反应，A为阴极是得到电子发生还原反应，实质是电解反应，B电极上发生反应为：PbSO₄+2H₂O-2e^-═PbO₂+4H⁺+2SO₄^2-，A电极发生反应为：PbSO₄+2e^-═Pb+SO₄^2-，所以A电极上生成Pb，B电极上生成PbO₂，若将外电源再换成一个小灯泡，小灯泡发光，则为原电池装置，A极失电子为负极；
故答案为：Pb；PbO₂；A；
（3）①断开K₁，闭合K₂时，发现电流表指针偏转，证明是原电池反应，铜做负极失电子发生氧化反应，石墨做原电池正极氧气得电子发生还原反应，反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，电流由正极石墨流向负极铜；故答案为：石墨；铜；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②断开K₂，闭合K₁时，是电解池装置，两极均有气泡产生，两极均有气泡产生，说明两极产生的气体分别是氢气和氯气，因此活泼金属Cu不能做阳极，Cu做阴极，石墨做阳极，阳极上（石墨电极上）氯离子失电子发生氧化反应，反应式为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，阴极上（Cu电极上）氢离子得到电子发生还原反应，依据水的电离平衡，氢氧根离子浓度增大酚酞变红，所以反应一段时间后铜电极附近溶液显红色；故答案为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑；红；
（4）①负极上HS^-在硫氧化菌作用下转化为SO₄^2-，失电子发生氧化反应，电极反应式是HS^-+4H₂O-8e^-=SO₄^2-+9H⁺，故答案为：HS^-+4H₂O-8e^-=SO₄^2-+9H⁺；
②b是电池的正极，反应式为4H⁺+O₂+4e^-=2H₂O；故答案为：正；4H⁺+O₂+4e^-=2H₂O．

点评 本题考查了原电池和电解池的工作原理，难度中等，注意知识的迁移应用以及电极的判断、反应式的书写等是解题的关键．