Question

3．氮化鎵是目前最熱門的半導體材料，應用前景非常廣闊．已有科學家用氮化鎵材料與銅組裝如圖的人工光合系統(tǒng)，利用該裝置成功地實現(xiàn)了以CO₂和H₂O合成CH₄，裝置如圖所示，回答下列問題：
（1）氮化鎵電極為負極，寫出銅電極表面的電極反應式的CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
（2）電池內(nèi)部H⁺流動的方向為從左向右（填“從右向左”或“從左向右”）；
（3）電路中每產(chǎn)生1mol電子，理論上可以生成標準狀況下的O₂5.6L．
（4）為提高該人工光合系統(tǒng)的工作效率，可向裝置中加入少量的酸，最好選擇硫酸（選填“鹽酸”“硝酸”或“硫酸”）．

Answer 1

分析 該裝置中，產(chǎn)生氧氣是水中的氧失電子化合價升高的結(jié)果，產(chǎn)生甲烷是二氧化碳中的碳得電子化合價降低的結(jié)果，則GaN是負極、Cu是正極，負極反應式為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，正極反應式為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，電解質(zhì)溶液中陽離子向正極移動，以此解答該題．

解答 解：（1）該裝置中，產(chǎn)生氧氣是水中氧化合價升高的結(jié)果，則GaN是負極、Cu是正極，負極反應式為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，正極反應式為：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，
故答案為：負；CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
（2）電解質(zhì)溶液中陽離子向正極移動，所以電池內(nèi)部H⁺流動的方向為從左向右，
故答案為：從左向右；
（3）負極反應式為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑，轉(zhuǎn)移電子的關(guān)系式為：O₂～4e^-，電路中每產(chǎn)生1mol電子，理論上可以生成氧氣$\frac{1}{4}$mol，標準狀況下的體積為：$\frac{1}{4}mol×22.4L/mol$=5.6L，
故答案為：5.6；
（4）可向裝置中加入少量的酸作電解質(zhì)，由于鹽酸易揮發(fā)，生成的甲烷中會混有HCl氣體，硝酸會與電極銅發(fā)生反應，所以只能加入硫酸，
故答案為：硫酸．

點評 本題考查化學電源新型電池，題目難度中等，明確原電池原理為解答根據(jù)，注意正確判斷電極反應、電子流向、離子流向，難點是電極反應式的書寫．