Question

3．请回答如下问题：
（1）如图，Ⅰ是甲烷燃料电池（电解质溶液为：KOH溶液）的结构示意图，该同学想在Ⅱ中实现铁上镀铜．

①a处电极上发生的电极反应式是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②若实验过程中Ⅱ中的铜片质量减少了2.56g，则Ⅰ中理论上消耗CH₄的体积（标准状况）
0.224L；
③若Ⅱ改为用惰性电极电解200mL 0.05mol•L^-1的CuSO₄溶液，一段时间后溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，恢复至室温，溶液pH=1（忽略电解过程中溶液体积变化）；若想将上述电解后的溶液恢复为与电解前的溶液相同，可以加入一定质量的b （填序号）；
a．Cu    b．CuO    C．Cu（OH）₂    d．CuSO₄
（2）FeCl₃溶液具有较强的氧化性，利用FeCl₃可以腐蚀印刷电路铜板，其化学方程式为2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂，若将此反应设计成原电池，该原电池的负极材料为Cu，正极上的电极反应式为Fe³⁺+e^-=Fe²⁺．

Answer 1

分析 （1）①要实现铁上镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中左边电极为负极、右边电极为正极，燃料电池中，通入燃料的电极为负极、通入氧化剂的电极为正极，所以a处通入的气体是甲烷、b处通入的气体是氧气，a电极上电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，b电极上电极反应式为O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②根据串联电路中转移电子相等计算消耗甲烷体积；
③结合2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出计算反应后溶液的pH，电解硫酸铜溶液，要想恢复到与电解前的溶液相同，应加入CuO；
（2）Fe³⁺有强氧化性，能把金属铜氧化成铜离子；根据电池反应式设计原电池，由发生反应的反应类型设计正负极，将发生氧化反应的金属单质设计成负极，比负极不活泼的金属或导电的非金属设计成正极，反应物中的电解质设计为电解质溶液．

解答 解：（1）①要实现铁上镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中左边电极为负极、右边电极为正极，
燃料电池中，通入燃料的电极为负极、通入氧化剂的电极为正极，所以a处通入的气体是甲烷、b处通入的气体是氧气，a电极上电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，b电极上电极反应式为O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②当铜电极质量减去2.56g时，失去电子的物质的量=$\frac{2.56g}{64g/mol}$×2=0.08mol，串联电路中转移电子相等，所以消耗甲烷体积=$\frac{0.08mol}{8}$×22.4L/mol=0.224L，
故答案为：0.224；
③溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，则析出的n（Cu）=0.2L×0.05mol/L=0.01mol，则生成硫酸0.01mol，氢离子为0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，pH=1；电解硫酸铜溶液，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出后，要想恢复到与电解前的溶液相同，应加入CuO，故答案为：1；b；
（2）Fe³⁺有强氧化性，能把金属铜氧化成铜离子，自身被还原成 Fe²⁺，反应方程式为2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂，设计成原电池时，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，该电池反应中三价铁离子得电子发生还原反应，所以正极上的电极反应式为Fe³⁺+e^-=Fe²⁺（或2Fe³⁺+2e^-=2Fe²⁺），铜失电子发生氧化反应，所以负极上的电极反应式为Cu=2Cu²⁺+2e^-（或Cu-2e^-=Cu²⁺）；电池反应中发生氧化反应的金属作负极，所以铜作负极，不如负极活泼的金属或导电的非金属作正极，可选石墨作正极，发生还原反应的电解质溶液作原电池的电解质溶液，
故答案为：2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂；Cu；Fe³⁺+e^-=Fe²⁺．

点评 本题考查学生电镀原理以及计算、原电池的构成条件、工作原理以及燃料电池的工作原理知识，注重基础知识的考查，难度不大．