Question

9．科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高，可用于航天航空．图甲所示装置中，以稀土金属材料为惰性电极，在两极上分别通入CH₄和空气，其中固体电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂固体，它在高温下能传导阳极生成的O^2-（O₂+4e=2O^2-）

①c电极为正极，d电极上的电极反应式为CH₄+4O^2-═CO₂+2H₂O+8e^-．
②图乙是用惰性电极电解100mL 0.5mol•L^-1 CuSO₄溶液，a电极上的电极反应式为4OH^-═2H₂O+O₂↑+4e^-．若a电极产生56mL（标准状况）气体，则所得溶液的pH=1（不考虑溶液体积变化），若要使电解质溶液恢复到电解前的状态，可加入ac（选填字母序号）
a．CuO         b．Cu（OH）₂         c．CuCO₃       d．Cu₂（OH）₂CO₃．

Answer 1

分析 ①依据装置图中电流流向分析，c为正极，氧气的电子发生还原反应，d为负极，甲烷失电子发生氧化反应；
②图乙是电解池，与电源正极连接的a电极为阳极，发生4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，b为阴极，发生为Cu²⁺+2e^-═Cu，结合电极方程式计算．

解答 解：①图甲是原电池，依据电流流向是从正极流向负极，c电极为正极，氧气得到电子发生还原反应，d电极为电池负极，甲烷失电子发生还原反应，在两极上分别通入CH₄和空气，其中固体电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂固体，它在高温下能传导阳极生成的O^2-离子，负极电极反应为：CH₄+4O^2-═CO₂+2H₂O+8e^-；
故答案为：正极； CH₄+4O^2-═CO₂+2H₂O+8e^-；
②如图乙所示电解100mL0.5mol•L^-1CuSO₄溶液，发生的电解池反应为：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，与电源正极相连的为阳极，溶液中 氢氧根离子失去电子发生氧化反应，电极反应为：4OH^-═2H₂O+O₂↑+4e^-；
若a电极产生56mL（标准状况）气体为氧气，物质的量为0.0025mol，消耗氢氧根离子物质的量为0.01mol，溶液中生成氢离子物质的量为0.01mol，c（H⁺）=$\frac{0.01mol}{0.1L}$=0.1mol/L，pH=-lg0.1=1；
则所得溶液电解过程中CuSO₄溶液每损失2个Cu原子，就损失2个 O原子，相当于损失一个CuO，为了使CuSO₄溶液，恢复原浓度，应加入CuO，也可以加入CuCO₃，符合恢复溶液浓度的定量关系，但不能加入Cu（OH）₂、Cu₂（OH）₂CO₃，因为CuCO₃+H₂SO₄═CuSO₄+CO₂↑+H₂O，相当于加CuO，而Cu（OH）₂+H₂SO₄═CuSO₄+2H₂O、Cu₂（OH）₂CO₃+2H₂SO₄═2CuSO₄ +CO₂↑+3H₂O，除增加溶质外还增加了水，故选ac．
故答案为：4OH^-═2H₂O+O₂↑+4e^-；1；ac．

点评 本题考查电解的有关判断，是中等难度的试题，试题综合性强，在注重对基础知识巩固和训练的同时，主要是侧重对学生能力的培养，有助于培养学生的逻辑思维能力和发散思维能力，提高学生灵活运用基础知识解决实际问题的能力．