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化学电极设计原理试题及答案

1.题目

某研究小组欲设计一种新型化学电池,用于驱动小型电子设备。已知有以下几种物质可供选择:\(Zn\)片、\(Cu\)片、\(Fe\)片、\(Ag\)片、\(CuSO_{4}\)溶液、\(FeCl_{3}\)溶液、\(AgNO_{3}\)溶液、\(ZnSO_{4}\)溶液,盐桥(含\(KCl\)饱和溶液),导线等。

(1)若设计一个能产生稳定电流的原电池,要求负极材料能与电解质溶液自发发生氧化还原反应,且电池反应为\(Zn+Cu^{2+}=Zn^{2+}+Cu\),请画出该原电池的装置图,并标明电极材料、电解质溶液、盐桥、电子流向和电流方向。

(2)计算该原电池在标准状况下(\(25^{\circ}C\),\(101kPa\))的电动势\(E^{\circ}\)。已知\(E^{\circ}(Zn^{2+}/Zn)=0.76V\),\(E^{\circ}(Cu^{2+}/Cu)=+0.34V\)。

(3)若将上述原电池中的\(CuSO_{4}\)溶液换成\(FeCl_{3}\)溶液,负极材料不变,写出此时电池的电极反应式和总反应式。

(4)在(3)的基础上,若向\(FeCl_{3}\)溶液中加入一定量的\(KSCN\)溶液,溶液变红,此时电池的电动势会如何变化?请简要说明理由。

2.答案

(1)

装置图:

画两个烧杯,中间用盐桥连接。

左边烧杯中插入\(Zn\)片,盛放\(ZnSO_{4}\)溶液;右边烧杯中插入\(Cu\)片,盛放\(CuSO_{4}\)溶液。

用导线将\(Zn\)片和\(Cu\)片连接起来,在导线上标明电子从\(Zn\)片(负极)流向\(Cu\)片(正极),电流方向与电子流向相反,即从\(Cu\)片流向\(Zn\)片。

原理:根据电池反应\(Zn+Cu^{2+}=Zn^{2+}+Cu\),\(Zn\)失去电子发生氧化反应,作负极;\(Cu^{2+}\)得到电子发生还原反应,\(Cu\)片作正极。\(ZnSO_{4}\)溶液和\(CuSO_{4}\)溶液分别作为两个半电池的电解质溶液,盐桥用于平衡两个半电池中的电荷,维持溶液的电中性。

(2)

根据原电池电动势的计算公式\(E^{\circ}=E^{\circ}(正极)E^{\circ}(负极)\)。

已知\(E^{\circ}(Zn^{2+}/Zn)=0.76V\),\(E^{\circ}(Cu^{2+}/Cu)=+0.34V\),正极是\(Cu^{2+}/Cu\)电极,负极是\(Zn^{2+}/Zn\)电极。

则\(E^{\circ}=E^{\circ}(Cu^{2+}/Cu)E^{\circ}(Zn^{2+}/Zn)=0.34V(0.76V)=1.10V\)。

(3)

负极(\(Zn\)片):\(Zn2e^{}=Zn^{2+}\)。因为\(Zn\)的金属活动性较强,容易失去电子发生氧化反应。

正极(\(Cu\)片):\(2Fe^{3+}+2e^{}=2Fe^{2+}\)。\(Fe^{3+}\)具有较强的氧化性,在正极得到电子被还原。

总反应式:\(Zn+2Fe^{3+}=Zn^{2+}+2Fe^{2+}\)。将正、负极电极反应式相加即可得到总反应式。

(4)

电池的电动势会减小。

理由:向\(FeCl_{3}\)溶液中加入\(KSCN\)溶液,溶液变红,说明发生了反应\(Fe^{3+}+3SCN^{}\rightleftharpoonsFe(SCN)_{3}\),该反应使溶液中\(Fe^{3+}\)的浓度降低。根据能斯特方程\(E=E^{\circ}\frac{0.0592}{n}\lgQ\)(对于\(Fe^{3+}+e^{}=Fe^{2+}\)电极,\(n=1\)),\(Fe^{3+}\)浓度降低,\(Q\)值增大,\(\lgQ\)增大,导致\(E(Fe^{3+}/Fe^{2+})\)减小。而电池电动势\(E=E(正极)E(负极)\),正极电势减小,负极电势不变,所以电池的电动势会减小。

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