Question

20．燃料电池是将乙醇通入负极，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H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）若电解质溶液为硫酸，其正极反应为O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，负极反应为H₂-2e^-=2H⁺；
（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．此时燃料电池中消耗H₂的质量是0.03g，O₂的质量是0.24g．

Answer 1

分析 （1）若电解质溶液为KOH溶液时，负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，正极上氧气得电子和水生成氢氧根离子；
（2）酸性条件下，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，负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、氧气的质量．

解答 解：（1）若电解质溶液为KOH溶液时，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^-，负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水，电极反应式为H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，
故答案为：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；
（2）酸性条件下，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，负极上氢气失电子生成氢离子，电极反应式为H₂-2e^-=2H⁺，
故答案为：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；H₂-2e^-=2H⁺；
（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=$\frac{0.112}{22.4}$mol×2=0.01mol，所以电解时转移的总电子物质的量为0.03mol，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0.03N_A，则消耗氢气的质量=0.015×2g/mol=0.03g，氧气的质量为0.03mol×$\frac{1}{4}$×32g/mol=0.24g；
故答案为：0.03g；0.24g．

点评 本题考查原电池原理及其相关计算，题目难度中等，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，侧重于考查学生的分析能力和计算能力．