Question

3．請回答如下問題：
（1）如圖，Ⅰ是甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為：KOH溶液）的結(jié)構(gòu)示意圖，該同學(xué)想在Ⅱ中實現(xiàn)鐵上鍍銅．

①a處電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②若實驗過程中Ⅱ中的銅片質(zhì)量減少了2.56g，則Ⅰ中理論上消耗CH₄的體積（標準狀況）
0.224L；
③若Ⅱ改為用惰性電極電解200mL 0.05mol•L^-1的CuSO₄溶液，一段時間后溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，恢復(fù)至室溫，溶液pH=1（忽略電解過程中溶液體積變化）；若想將上述電解后的溶液恢復(fù)為與電解前的溶液相同，可以加入一定質(zhì)量的b （填序號）；
a．Cu    b．CuO    C．Cu（OH）₂    d．CuSO₄
（2）FeCl₃溶液具有較強的氧化性，利用FeCl₃可以腐蝕印刷電路銅板，其化學(xué)方程式為2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂，若將此反應(yīng)設(shè)計成原電池，該原電池的負極材料為Cu，正極上的電極反應(yīng)式為Fe³⁺+e^-=Fe²⁺．

Answer 1

分析 （1）①要實現(xiàn)鐵上鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中左邊電極為負極、右邊電極為正極，燃料電池中，通入燃料的電極為負極、通入氧化劑的電極為正極，所以a處通入的氣體是甲烷、b處通入的氣體是氧氣，a電極上電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，b電極上電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②根據(jù)串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子相等計算消耗甲烷體積；
③結(jié)合2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出計算反應(yīng)后溶液的pH，電解硫酸銅溶液，要想恢復(fù)到與電解前的溶液相同，應(yīng)加入CuO；
（2）Fe³⁺有強氧化性，能把金屬銅氧化成銅離子；根據(jù)電池反應(yīng)式設(shè)計原電池，由發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)類型設(shè)計正負極，將發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬單質(zhì)設(shè)計成負極，比負極不活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘僭O(shè)計成正極，反應(yīng)物中的電解質(zhì)設(shè)計為電解質(zhì)溶液．

解答 解：（1）①要實現(xiàn)鐵上鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中左邊電極為負極、右邊電極為正極，
燃料電池中，通入燃料的電極為負極、通入氧化劑的電極為正極，所以a處通入的氣體是甲烷、b處通入的氣體是氧氣，a電極上電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，b電極上電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②當銅電極質(zhì)量減去2.56g時，失去電子的物質(zhì)的量=$\frac{2.56g}{64g/mol}$×2=0.08mol，串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子相等，所以消耗甲烷體積=$\frac{0.08mol}{8}$×22.4L/mol=0.224L，
故答案為：0.224；
③溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，則析出的n（Cu）=0.2L×0.05mol/L=0.01mol，則生成硫酸0.01mol，氫離子為0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，pH=1；電解硫酸銅溶液，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出后，要想恢復(fù)到與電解前的溶液相同，應(yīng)加入CuO，故答案為：1；b；
（2）Fe³⁺有強氧化性，能把金屬銅氧化成銅離子，自身被還原成 Fe²⁺，反應(yīng)方程式為2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂，設(shè)計成原電池時，負極上發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上發(fā)生還原反應(yīng)，該電池反應(yīng)中三價鐵離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)，所以正極上的電極反應(yīng)式為Fe³⁺+e^-=Fe²⁺（或2Fe³⁺+2e^-=2Fe²⁺），銅失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，所以負極上的電極反應(yīng)式為Cu=2Cu²⁺+2e^-（或Cu-2e^-=Cu²⁺）；電池反應(yīng)中發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬作負極，所以銅作負極，不如負極活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘僮髡龢O，可選石墨作正極，發(fā)生還原反應(yīng)的電解質(zhì)溶液作原電池的電解質(zhì)溶液，
故答案為：2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂；Cu；Fe³⁺+e^-=Fe²⁺．

點評 本題考查學(xué)生電鍍原理以及計算、原電池的構(gòu)成條件、工作原理以及燃料電池的工作原理知識，注重基礎(chǔ)知識的考查，難度不大．