Question

16．某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)甲醇（CH₃OH）燃料電池，并用該電池電解200mL一定濃度NaCl與CuSO₄混合溶液，其裝置如圖1：

（1）25℃，1.01×10⁵Pa時(shí)16g液態(tài)甲醇完全燃燒，當(dāng)恢復(fù)至原狀態(tài)時(shí)，放出362.9kJ熱量，此反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol．
（2）寫出甲中通入甲醇這一極的電極反應(yīng)式CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（3）鐵電極上反應(yīng)的現(xiàn)象為：先有紅色的物質(zhì)析出，后有氣泡產(chǎn)生．石墨電極上產(chǎn)生的氣體是Cl₂、O₂．
（4）理論上乙中兩極所得氣體的體積隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖2所示（氣體體積已換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積）原混合溶液中CuSO₄的物質(zhì)的量濃度0.1mol•L^-1．（假設(shè)溶液體積不變）

Answer 1

分析 （1）16g 液態(tài)甲醇完全燃燒，當(dāng)恢復(fù)到原狀態(tài)時(shí)，放出369.2kJ的熱量，則1mol 液態(tài)甲醇完全燃燒，當(dāng)恢復(fù)到原狀態(tài)時(shí)，放出725.8kJ的熱量，據(jù)此書寫；
（2）甲醇發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（3）電池通入甲醇的為負(fù)極，乙中鐵電極為陰極、石墨電極為陽(yáng)極，開始Cl^-在陽(yáng)極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖3中Ⅰ表示陰極產(chǎn)生的氣體，Ⅱ表示陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體，陽(yáng)極t₁前電極反應(yīng)式為：2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₃電極反應(yīng)式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極t₂前電極反應(yīng)式為2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點(diǎn)后電極反應(yīng)式為4H⁺+4e^-=2H₂↑；
（4）根據(jù)t₁～t₂ 陽(yáng)極上生成氯氣和氧氣，結(jié)合得失電子守恒計(jì)算CuSO₄的物質(zhì)的量濃度．

解答 解：（1）16g 液態(tài)甲醇完全燃燒，當(dāng)恢復(fù)到原狀態(tài)時(shí)，放出369.2kJ的熱量，則1mol 液態(tài)甲醇完全燃燒，當(dāng)恢復(fù)到原狀態(tài)時(shí)，放出725.8kJ的熱量，即熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol；
（2）在燃料電池的中，負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，甲醇失電子的過(guò)程為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（3）電池通入甲醇的為負(fù)極，乙中鐵電極為陰極、石墨電極為陽(yáng)極，開始Cl^-在陽(yáng)極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖3中Ⅰ表示陰極產(chǎn)生的氣體，Ⅱ表示陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體，陽(yáng)極t₁前電極反應(yīng)式為：2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₃電極反應(yīng)式為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極t₂前電極反應(yīng)式為2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點(diǎn)后電極反應(yīng)式為4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以鐵電極上反應(yīng)的現(xiàn)象為：先有紅色的物質(zhì)析出，后有氣泡產(chǎn)生；石墨電極上產(chǎn)生的氣體是Cl₂、O₂，故答案為：有氣泡產(chǎn)生；Cl₂、O₂；
（4）石墨為陽(yáng)極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽(yáng)極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu，故圖3中Ⅰ表示陰極產(chǎn)生的氣體，Ⅱ表示陽(yáng)極產(chǎn)生的氣體，t₁前電極反應(yīng)式為：陽(yáng)極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₂點(diǎn)后電極反應(yīng)式為：陽(yáng)極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，
由圖可知，產(chǎn)生氯氣為224mL，則由2Cl^--2e^-=Cl₂↑可知，n（NaCl）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×2=0.02mol，由t₂時(shí)生成氧氣為112mL，n（O₂）=$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，則共轉(zhuǎn)移電子為0.02mol+0.005mol×4=0.04mol，
根據(jù)電子守恒及Cu²⁺+2e^-=Cu可知，n（CuSO₄）=$\frac{0.04mol}{2}$=0.02mol，所以c（CuSO₄）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，
故答案為：0.1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查電解原理，明確發(fā)生的電極反應(yīng)及圖圖象的對(duì)應(yīng)關(guān)系是解答本題的關(guān)鍵，計(jì)算抓住兩極電子轉(zhuǎn)移相等計(jì)算，題目難度中等．