Question

某同学设计了一个甲醇燃料电池，并用该电池电解200mL—定浓度NaCl与CuSO₄混合溶液，其装置如图：

    （1）写出甲中通入甲醇这一极的电极反应式                                  。

    （2）理论上乙中两极所得气体的体积随时间变化的关系如丙图所示（气体体积已换算成标准状况下的体积），写出在t₁后,石墨电极上的电极反应式                 ，原混合溶液中NaCl的物质的量浓度为             mol/L，CuSO₄的物质的量浓度为           mol/L。（假设溶液体积不变）

   （3）电解至t₃时，消耗水的质量为          g。

Answer

（1）CH3OH-6e－+8OH－=CO32－+6H2O（2分）

（2）4OH--4e－=O2↑+2H2O （2分）   0.1（2分）    0.1（2分）

(3)0.72 （2分）

【解析】（1）甲图为甲醇燃料电池， 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O  ①

CO2+2KOH=K2CO3+H2O    ②

①+②×2，得：甲醇燃料电池的总化学反应为：2CH3OH+3O2+4KOH=6H2O+2K2CO3

总离子反应为：2CH3OH+3O2+4OH-=6H2O+2CO32-

（+）：O2+2H2O+4e－=4OH－

（-）=总离子反应-（+）×3，得：2CH3OH+16OH－-12e－=12H2O+2CO32-

化简，得：CH3OH - 6e－+ 8OH－ = CO32－+ 6H2O

（2）乙图为电解池，铁片接甲图的负极，故铁片做电解池的阴极；

石墨棒接甲图的正极，故石墨棒做电解池的阳极；

溶液中阴离子（Cl-、OH-、SO42-）移向阳极,且放电顺序为：Cl-＞OH-＞SO42-，

电极反应为：先2Cl--2e-=Cl2↑，后4OH--4e－=O2↑+2H2O

阳离子（Cu2+、H+、Na+）移向阴极,且放电顺序为：Cu2+＞H+＞Na+，

电极反应为：先Cu2++2e-=Cu，后2H++2e-=H2↑

故丙图中，I线对应阴极（铁片）的反应，II线对应阳极（石墨棒）的反应；

分析丙图：到t1时，生成V（Cl2）=224ml，标准状况下n(Cl2)=0.01 mol，

2Cl--2e-=Cl2↑

           2       1

         n(Cl-)   0.01mol，则n(Cl-)= 0.02mol，C（NaCl）=0.02mol/0.2L=0.1 mol/L；

V（O2）=672ml-224ml=448 ml，标准状况下n(O2)=0.02 mol，故阳极失电子的物质的量为：

2Cl-- 2e- = Cl2↑       4OH-- 4e－ = O2↑+2H2O

      2     1                4    1

0.02mol  0.01mol       0.08mol 0.02mol

两极电子转移守恒（均为0.02mol+ 0.08mol=0.1mol），则阴极得电子的物质的量为：

V（H2）=672ml, 标准状况下n(H2)=0.03mol，

2H++ 2e- = H2↑              故  Cu2+ + 2e-  =Cu

          2    1                      1    2

0.06mol 0.03mol             0.02mol 0.04mol

C（CuSO4）=0.02mol/0.2L=0.1 mol/L；

（3）2H2O=2H2↑+O2↑

      36g      1mol

0.72g    0.02mol