Question

13．高鐵酸鉀（K₂FeO₄）具有高效的消毒作用，為一種新型非氯高效消毒劑．電解法制備高鐵酸鉀操作簡(jiǎn)便，產(chǎn)率高，易于實(shí)驗(yàn)室制備．其原理如圖所示，其總電解反應(yīng)為：
Fe+2NaOH+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Na₂FeO₄+3H₂↑．
Ⅰ．實(shí)驗(yàn)過程中，X電極有氣體產(chǎn)生，Y極區(qū)溶液逐漸變成紫紅色；停止實(shí)驗(yàn)，鐵電極明顯變細(xì)，電解液仍然澄清．查閱資料發(fā)現(xiàn)，高鐵酸根（FeO${\;}_{4}^{2-}$）在溶液中呈紫紅色．
（1）電解過程中，X極是陰極．
（2）生成高鐵酸根（FeO${\;}_{4}^{2-}$）的電極反應(yīng)是Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
Ⅱ．若用不同種電池作為上述實(shí)驗(yàn)的電源，請(qǐng)分析電池反應(yīng)．
（1）鉛蓄電池總的化學(xué)方程式為：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$\frac{\underline{\;放電\;}}{充電}$2H₂O+2PbSO₄，則該鉛蓄電池在充電時(shí)的陽極反應(yīng)為
PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺，若用此電池向外電路輸出2mol電子，正極增重64g，電解質(zhì)溶液消耗的硫酸根離子為1mol．
（2）肼（N₂H₄）-空氣燃料電池是一種堿性燃料電池，電解質(zhì)溶液是20%～30%的KOH溶液，放電時(shí)負(fù)極的電極反應(yīng)式為N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂+4H₂O．
（3）以丙烷（C₃H₈）為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂，負(fù)極通入丙烷，導(dǎo)電電解質(zhì)是熔融金屬氧化物，寫出該電池負(fù)極的電極反應(yīng)C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O．
（4）當(dāng)制備相同物質(zhì)的量的高鐵酸鉀時(shí)，理論上上述三種電池中分別消耗的Pb、肼、丙烷的物質(zhì)的量之比是10：10：5：1．

Answer 1

分析 Ⅰ．根據(jù)電源的正負(fù)極判斷電解池中電極名稱；
（2）該電解池中，陽極材料是活潑金屬，則電解池工作時(shí)，陽極上鐵失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)氫氧根離子失電子生成氧氣，陰極上氫離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)；
Ⅱ．（1）充電時(shí)，陽極上硫酸鉛失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，PbSO₄（s）+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-；正極發(fā)生反應(yīng)：PbO₂+SO₄^2-+4H⁺+2e^-=PbSO₄+2H₂O，據(jù)此計(jì)算回答；
（2）從作為燃料電池時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)的角度可知N₂H₄被氧化生成N₂；
（3）丙烷燃料電池的負(fù)極是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)=電池反應(yīng)-正極反應(yīng)；
（4）制備相同物質(zhì)的量的高鐵酸鉀時(shí)轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等，據(jù)此計(jì)算回答．

解答 解：Ⅰ．（1）X電極連接原電池負(fù)極，所以是電解池陰極，故答案為：陰；
（2）鐵是活潑金屬，電解池工作時(shí)，陽極上鐵失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，氫氧根離子失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，所以發(fā)生的電極反應(yīng)式為：Fe-6e^-+8OH^-═FeO₄^2-+4H₂O和4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，故答案為：Fe+8OH^--6e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
Ⅱ．（1）充電時(shí)，陽極上硫酸鉛失電子和水反應(yīng)生成二氧化鉛、硫酸根離子和氫離子，電極反應(yīng)式為PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺，若用此電池向外電路輸出2mol電子，此時(shí)正極發(fā)生反應(yīng)：PbO₂+SO₄^2-+4H⁺+2e^-=PbSO₄+2H₂O，此時(shí)正極從二氧化鉛到硫酸鉛，電極上相當(dāng)于增加1molSO₂成分，質(zhì)量增加64g，消耗硫酸根離子1mol，故答案為：PbSO₄-2e^-+2H₂O═PbO₂+SO₄^2-+4H⁺；64；1．
（2）作為燃料電池時(shí)，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液是20%-30%的KOH溶液，N₂H₄失去電子被氧化生成N₂，故答案為：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂+4H₂O；
（3）以丙烷（C₃H₈）為燃料制作新型燃料電池，導(dǎo)電電解質(zhì)是熔融金屬氧化物，電池反應(yīng)為：，C₃H₈+5O₂=3CO₂+4H₂O，電池的正極通入O₂，發(fā)生反應(yīng)：O₂+4e^-=2O^2-，負(fù)極通入丙烷，發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，電池反應(yīng)-正極反應(yīng)=負(fù)極反應(yīng)，C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O，故答案為：C₃H₈-20e^-+10O^2-=3CO₂+4H₂O．
（4）1molPb、Cd、肼、丙烷失去的電子分別為2mol、2mol、4mol、20mol，所以根據(jù)得失電子守恒可知，Pb、Cd、肼、丙烷的物質(zhì)的量之比是10：10：5：1，
故答案為：10：10：5：1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了原電池和電解池原理以及燃料電池電極反應(yīng)式的書寫和電子守恒的計(jì)算知識(shí)，綜合性強(qiáng)，難度較大．