Question

20．一种将电解池与燃料电池相组合的新工艺可使氯碱工业节能30%以上．在这种工艺设计中，相关物料的传输与转化关系如图所示，其中的电极未标出，所用的离子膜都只允许阳离子通过．

（1）图中X、Y分别是Cl₂、H₂（填化学式），a＜b（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）燃料电池中负极的电极反应式是H₂+2OH^--2e^-=2H₂O．
（3）电解池中总反应的离子方程式是2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑．
（4）假设该装置的能量利用率可达70%，要电解制得2.4mol NaOH，燃料电池需消耗标准状况下的空气96L．（空气中O₂的体积分数为20%）

Answer 1

分析 电解池中发生反应：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，产生的氢气作为燃料，通入燃料的极作负极，电极反应式为：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，空气通入燃料电池的正极，电极反应式为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，总反应为2H₂+O₂=2H₂O，据此分析解答．

解答 解：（1）电解池中发生反应：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，产生的氢气作为燃料，通入燃料的极作负极，则Y是氢气，在X处产生的是氯气；燃料电池正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，导致正极区域氢氧化钠浓度增大，所以a＜b，
故答案为：Cl₂；H₂；＜；
（2）燃料电池的工作原理：负极是燃料氢气失电子发生氧化反应，即H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，
故答案为：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（3）电解池中发生反应：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，
故答案为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
（4）根据电子转移守恒建立关系式，电解池中：2NaOH～2e^-，要电解制得2.4molNaOH，转移电子2.4mol，原电池中：O₂～4e^-，转移2.4mol电子时消耗氧气0.6mol，但该装置的能量利用率可达70%，所以实际上氧气消耗的物质的量为：0.6mol÷70%，氧气的体积为0.6mol÷70%×22.4L/mol，则空气的体积为：0.6mol÷70%×22.4L/mol÷20%=96L，
故答案为：96．

点评 本题考查学生燃料电池和氯碱工业的有关知识，要求学生具有分析和解决问题的能力，注意第（4）题用电子转移守恒解题，难度中等．