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高中 | 原电池工作原理题目答案及解析如下,仅供参考!
选修四
第四章 电化学基础
第一节 原电池
原电池工作原理
最近,我国科学工作者制备了一种$\rm \text{Ni}-\text{CuO}$电催化剂,并将其与金属铝组装成可充电电池,用于还原污水中的$\rm \text{NO}_{3}^{-}$为$\rm \text{N}{{\text{H}}_{3}}$,其工作原理如图所示。研究证明,电池放电时,水中的氢离子在电催化剂表面获得电子成为氢原子,氢原子再将吸附在电催化表面的$\rm \text{NO}_{3}^{-}$逐步还原为$\rm \text{N}{{\text{H}}_{3}}$。
下列说法错误的是$\rm (\qquad)$
放电时,负极区游离的$\\rm \\text{O}{{\\text{H}}^{-}}$数目保持不变
","放电时、还原$\\rm \\text{1}\\text{.0\\;\\rm mol NO}_{3}^{-}$为$\\rm \\text{N}{{\\text{H}}_{3}}$,理论上需要$\\rm \\text{8.0\\;\\rm mol}$氢原子
","充电时,$\\rm \\text{O}{{\\text{H}}^{-}}$从阴极区穿过离子交换膜进入阳极区
","充电时,电池总反应为$\\rm \\text{4 }\\!\\![\\!\\!\\text{ Al}{{\\left( \\text{OH} \\right)}_{4}}{{]}^{-}}\\text{=4Al+6}{{\\text{H}}_{2}}\\text{O+4O}{{\\text{H}}^{-}}\\text{+3}{{\\text{O}}_{\\text{2}}}\\uparrow $
"]放电时,负极铝失去电子和氢氧根离子结合生成四羟基合铝酸根,$\rm \text{Al}-3{{\text{e}}^{-}}\text{+4O}{{\text{H}}^{-}}={{[\!\!\text{ Al}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}}]}^{-}}$,正极水中的氢离子在电催化剂表面获得电子成为氢原子,氢原子再将吸附在电催化剂表面的$\rm \text{NO}_{3}^{-}$逐步还原为$\rm \text{N}{{\text{H}}_{3}}$,正极区发生反应为$\rm \text{NO}_{3}^{-}\text{+8}{{\text{e}}^{-}}\text{+6}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O=N}{{\text{H}}_{3}}+9\text{O}{{\text{H}}^{-}}\rm ($注意此反应不是电极反应$\rm )$,充电时,金属铝为阴极,$\rm \text{Ni}-\text{CuO}$电极为阳极,据此解答。
$\rm A$.放电时,负极铝失去电子和氢氧根离子结合生成四羟基合铝酸根:$\rm \text{Al}-3{{\text{e}}^{-}}\text{+4O}{{\text{H}}^{-}}={{[\!\!\text{ Al}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}}]}^{-}}$,当转移$\rm 3\;\rm mol$电子时,消耗$\rm 4\;\rm mol\;\rm O{{H}^{-}}$,同时正极区会有$\rm 3\;\rm mol\;\rm O{{H}^{-}}$通过$\rm O{{H}^{-}}$离子交换膜进行补充,$\rm O{{H}^{-}}$净消耗$\rm 1\;\rm mol$,故负极区游离的$\rm \text{O}{{\text{H}}^{-}}$数目会减少,故$\rm A$错误;
$\rm B$.氢原子将吸附在电催化剂表面的$\rm \text{NO}_{3}^{-}$逐步还原为$\rm \text{N}{{\text{H}}_{3}}$,还原$\rm \text{1}\text{.0\;\rm mol NO}_{3}^{-}$为$\rm \text{N}{{\text{H}}_{3}}$,由化合价变化可知,得到$\rm 8\;\rm mol$电子,所以理论上需要$\rm \text{8.0\;\rm mol}$氢原子,故$\rm B$正确;
$\rm C$.充电时,阴离子向阳极移动,所以充电时,$\rm \text{O}{{\text{H}}^{-}}$从阴极区穿过$\rm \text{O}{{\text{H}}^{-}}$离子交换膜进入阳极区,故$\rm C$正确;
$\rm D$.充电时,电池阴极反应式为$\rm 4{{[\!\!\text{ Al}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}}]}^{-}}\text{+12}{{\text{e}}^{-}}\text{=4Al+16O}{{\text{H}}^{-}}$,阳极反应式为$\rm \text{12O}{{\text{H}}^{-}}-12{{\text{e}}^{-}}\text{=3}{{\text{O}}_{\text{2}}}\uparrow +\text{6}{{\text{H}}_{2}}\text{O}$,总反应为$\rm \text{4 }\!\![\!\!\text{ Al}{{\left( \text{OH} \right)}_{4}}{{]}^{-}}\text{=4Al+6}{{\text{H}}_{2}}\text{O+4O}{{\text{H}}^{-}}\text{+3}{{\text{O}}_{\text{2}}}\uparrow $,故$\rm D$正确;
故选:$\rm A$
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