Question

18．（1）事實證明，能設計成原電池的反應通常是放熱反應，下列化學反應在理論上可以設計成原電池的是B．
A．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H＞0
B．2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（1）△H＜0
C．NaOH（aq）+HCl（aq）=NaCl（aq）+H₂O（1）△H＜0
（2）以KOH溶液為電解質溶液，依據所選反應設計一個原電池，其負極的電極反應式為H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O．
（3）2009年10月，中國科學院長春應用化學研究所在甲醇燃料電池技術方面獲得新突破，組裝出了自
呼吸電池及主動式電堆．甲醇燃料電池的工作原理如圖1所示．

①該電池工作時，b口通入的物質為CH₃OH，該電池負極的電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺
②工作一段時間后，當6.4g甲醇完全反應時，有1.2N_A個電子轉移．（N_A表示阿伏伽德羅常數(shù)的值）
（4）以上述電池做電源，用圖2所示裝置，在實驗室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中，發(fā)現(xiàn)溶液逐漸變渾濁，原因是（用相關的電極反應式和離子方程式表示）：Al-3e^-=Al³⁺，Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．
（5）電解原理在化學工業(yè)中有著廣泛的應用．現(xiàn)將你設計的原電池通過導線與圖3中電解池相連，其中a為電解液，X和Y均為惰性電極，若電解含有0.04molCuSO₄和0.04molNaCl的混合溶液400mL，當陽極產生672mL（標準狀況下）氣體時，溶液的pH=1 （假設電解后溶液體積不變）．

Answer 1

分析 （1）自發(fā)進行的放熱的氧化還原反應能設計成原電池；
（2）KOH為電解質，設計氫氧燃料堿性電池，負極上氫氣失電子和OH^-反應生成水；
（3）①根據裝置可以知道d出生成大量的水，所以e口是通入的氧氣，故b口通入的是CH₃OH；乙醇發(fā)生氧化反應，在負極放電，總反應式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，正極電極反應為：3O₂+12e^-+12H⁺=6H₂O，兩式相減可得負極的電極反應式，注意電子相等．放電時，H⁺移向電池的正極；
②根據n=$\frac{m}{M}$計算甲醇的物質的量，根據反應2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g），當消耗甲醇2mol時，轉移電子為12mol，據此計算注意電子數(shù)目；
（4）陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應；
（5）根據轉移電子守恒計算陰極上析出的物質，再根據氧氣計算生成的C（H⁺），從而得出其pH．

解答 解：（1）自發(fā)進行的放熱的氧化還原反應能設計成原電池，
A．C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H＞0，該反應為吸熱反應，不符合條件，故錯誤；
B．2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（1）△H＜0，該反應能自發(fā)進行且為放熱的氧化還原反應，符合條件，故正確；
C．NaOH（aq）+HCl（aq）=NaCl（aq）+H₂O（1）△H＜0，該反應不是氧化還原反應，不符合條件，故錯誤；
故選B；
（2）KOH為電解質，設計氫氧燃料堿性電池，負極上氫氣失電子和OH^-反應生成水，負極反應式為H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O，
故答案為：H₂-2e^-+2OH^-=2H₂O；
（3）①根據裝置可以知道d出生成大量的水，所以e口是通入的氧氣，故b口通入的是CH₃OH；
乙醇發(fā)生氧化反應，在負極放電，總反應式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，正極電極反應為：3O₂+12e^-+12H⁺=6H₂O，兩式相減可得負極的電極反應式為2CH₃OH-12e^-+2H₂O=2CO₂+12H⁺，即CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．放電時，H⁺移向電池的正極，
故答案為：CH₃OH；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②甲醇的物質的量為$\frac{6.4g}{32g/mol}$=0.2mol，根據反應2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g），當消耗甲醇2mol時，轉移電子為12mol，所以當6.4g甲醇完全反應生成CO₂時，轉移電子是$\frac{0.2mol}{2mol}$×12mol=1.2mol，轉移電子數(shù)目是1.2N_A，故答案為：1.2；
（4）鋁作陽極，陽極上電極反應式為Al-3e^-=Al³⁺；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al-3e^-=Al³⁺；Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；
（5）電解含有0.04molCuSO₄和0.04molNaCl的混合溶液400ml，陽極上先生成氯氣后生成氧氣，陰極上先生成銅，后生成氫氣，陽極上氯氣完全析出時，氯氣的體積=$\frac{0.04mol}{2}$×22.4L/mol=448mL＜672mL，所以陽極上還有224mL氧氣，陽極上轉移電子的物質的量=0.04mol×1+$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.08mol，陰極上銅完全析出時，需要電子的物質的量=0.04mol×2=0.08mol，所以陰極上不析出氫氣，生成224mL氧氣時，陽極附近同時生成C（H⁺）=$\frac{\frac{0.224L}{22.4L/mol}×4}{0.4L}$=0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案為：1．

點評 本題考查較綜合，涉及原電池和電解池原理，為高頻考點，側重考查學生分析判斷及計算能力，明確各個電極上發(fā)生的反應是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫及（5）題計算，注意（5）要確定陽極產物成分，為易錯點．