Question

10．某校化学兴趣小组为了探究原电池工作原理和钢铁的腐蚀与防护，进行如下系列实验．

（1）在相同条件下，①②③组装置中铁电极腐蚀最快的是①（填装置序号），该装置中正极电极反应式为O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；为防止金属Fe被腐蚀，可以采用上述③（填装置序号）装置原理进行防护，该方法的名称为外加电流阴极保护．
（2）装置④中铜片、锌片表面均有红色物质析出，电流计指针偏转，但较短时间内电流即明显减小．实验结束时测得锌片减少了3.94g，铜片增重了3.84g，则该原电池的工作效率是60%（指参加原电池反应的锌占反应总量的百分率）；装置⑤中如果Zn的消耗速率为1×10^-3 mol/s，则K⁺的迁移速率为2×10^-3mol/s．
（3）新型固体LiFePo₄隔膜电池广泛应用于电动汽车．
电池反应为FePO₄+Li$?_{充电}^{放电}$  LiFePO₄，电解质为含Li⁺的导电固体，且充、放电时电池内两极间的隔膜只允许Li⁺自由通过而导电．该电池放电时Li⁺向正极移动（填“正”或“负”），负极反应为Li-e^-=Li⁺，则正极反应式为FePO₄+e^-+Li⁺=LiFePO₄．

Answer 1

分析 （1）①装置为原电池铁为负极被腐蚀；②装置为原电池锌做负极被腐蚀，铁做正极被保护；③装置为电解池，铁做阴极被保护；
（2）由于锌片和铜片都有铜析出，需要利用差量法进行计算反应消耗的锌的质量，再根据铜片质量增加的物质的量计算出参加原电池反应的锌的物质的量，最后计算出原电池工作效率；根据原电池工作中电流方向判断，钾离子与电流方向一致；根据电荷守恒判断钾离子流到速率；
（3）原电池中阳离子移向正极；依据总反应方程式和负极电极反应计算得到正极电极反应式．

解答 解：（1）①装置为原电池铁为负极被腐蚀；②装置为原电池锌做负极被腐蚀，铁做正极被保护；③装置为电解池，铁做阴极被保护；①组装置中铁电极腐蚀最快；正极反应是氧气得到电子发生还原反应，电极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；②③装置中铁被保护，③为外加电流阴极保护，效果最好，故答案为：①；O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；③；外加电流阴极保护法；
（2）铜片、锌片表面均有红色物质铜析出，理解减小的质量为：3.94g-3.84g=0.1g，
根据反应关系式：Zn～Cu△m（减小）
                65 64   1
              6.5g    0.1g
参加反应的锌的质量为6.5g，
根据电子守恒，参加原电池反应的锌的物质的量为n（Zn）=n（Cu）=$\frac{3.84g}{64g/mol}$=0.06mol，该原电池的工作效率为：$\frac{0.06mol×65g/mol}{6.5g}$×100%=60%
铜为正极，锌为负极，电流在外电路有铜流向锌，溶液中电流由锌流向铜，所以钾离子流向硫酸铜溶液，氯离子流向硫酸锌溶液；根据电荷守恒可知，如果Zn的消耗速率为1×10^-3mol/s，则钾离子则K⁺的迁移速率为2×10^-3
故答案为：60%；2×10^-3；
（3）FePO₄+Li$?_{充电}^{放电}$LiFePO₄ 放电过程是原电池，总反应方程式减去负极反应得到正极电极反应：FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄；
故答案为：正；FePO₄+Li⁺+e^-=LiFePO₄．

点评 本题考查了金属腐蚀与防护的方法和应用，原电电解池电极反应书写应用，题目难度中等，书写电极反应式是解题的关键．