Question

3．氮化镓是目前最热门的半导体材料，应用前景非常广阔．已有科学家用氮化镓材料与铜组装如图的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以CO₂和H₂O合成CH₄，装置如图所示，回答下列问题：
（1）氮化镓电极为负极，写出铜电极表面的电极反应式的CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
（2）电池内部H⁺流动的方向为从左向右（填“从右向左”或“从左向右”）；
（3）电路中每产生1mol电子，理论上可以生成标准状况下的O₂5.6L．
（4）为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量的酸，最好选择硫酸（选填“盐酸”“硝酸”或“硫酸”）．

Answer 1

分析 该装置中，产生氧气是水中的氧失电子化合价升高的结果，产生甲烷是二氧化碳中的碳得电子化合价降低的结果，则GaN是负极、Cu是正极，负极反应式为：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，正极反应式为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，电解质溶液中阳离子向正极移动，以此解答该题．

解答 解：（1）该装置中，产生氧气是水中氧化合价升高的结果，则GaN是负极、Cu是正极，负极反应式为：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，正极反应式为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案为：负；CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
（2）电解质溶液中阳离子向正极移动，所以电池内部H⁺流动的方向为从左向右，
故答案为：从左向右；
（3）负极反应式为：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，转移电子的关系式为：O₂～4e^-，电路中每产生1mol电子，理论上可以生成氧气$\frac{1}{4}$mol，标准状况下的体积为：$\frac{1}{4}mol×22.4L/mol$=5.6L，
故答案为：5.6；
（4）可向装置中加入少量的酸作电解质，由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，硝酸会与电极铜发生反应，所以只能加入硫酸，
故答案为：硫酸．

点评 本题考查化学电源新型电池，题目难度中等，明确原电池原理为解答根据，注意正确判断电极反应、电子流向、离子流向，难点是电极反应式的书写．