题目
电池 (Pt(s))|(Cl)_2(p_1)|(HCl)(0.1,(mol)cdot(kg)^-1)|(Cl)_2(p_2)|(Pt(s)) 的电池反应 ____若 p_1>p_2,则此电池电动势 E ____ 0。
电池 $\text{Pt(s)}|\text{Cl}_2(p_1)|\text{HCl}(0.1\,\text{mol}\cdot\text{kg}^{-1})|\text{Cl}_2(p_2)|\text{Pt(s)}$ 的电池反应 ____
若 $p_1>p_2$,则此电池电动势 $E$ ____ 0。
题目解答
答案
根据电池符号,负极反应为:
\[ 2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2(p_1) + 2e^- \]
正极反应为:
\[ \text{Cl}_2(p_2) + 2e^- \rightarrow 2\text{Cl}^- \]
总反应为:
\[ \text{Cl}_2(p_2) \rightarrow \text{Cl}_2(p_1) \]
根据 Nernst 方程:
\[ E = -\frac{RT}{2F} \ln \frac{p_1}{p_2} \]
当 $ p_1 > p_2 $ 时,$\ln \frac{p_1}{p_2} > 0$,故 $ E < 0 $。
答案:电池反应为 $\text{Cl}_2(p_2) \rightarrow \text{Cl}_2(p_1)$(或 $\text{Cl}_2(p_2) + 2e^- \leftrightarrow 2\text{Cl}^- \leftrightarrow \text{Cl}_2(p_1) + 2e^-$),当 $ p_1 > p_2 $ 时,$ E < 0 $。
解析
本题主要考查原电池电极反应式的书写、电池总反应式的推导以及能斯特方程的应用。解题思路如下:
- 确定电极反应:根据电池符号判断正负极,负极发生氧化反应,正极发生还原反应,分别写出正负极的电极反应式。
- 对于电池 $\text{Pt(s)}|\text{Cl}_2(p_1)|\text{HCl}(0.1\,\text{mol}\cdot\text{kg}^{-1})|\text{Cl}_2(p_2)|\text{Pt(s)}$,在负极,$\text{Cl}^-$ 失去电子被氧化为 $\text{Cl}_2$,电极反应式为:
$2\text{Cl}^- \rightarrow \text{Cl}_2(p_1) + 2e^-$ - 在正极,$\text{Cl}_2$ 得到电子被还原为 $\text{Cl}^-$,电极反应式为:
$\text{Cl}_2(p_2) + 2e^- \rightarrow 2\text{Cl}^-$
- 对于电池 $\text{Pt(s)}|\text{Cl}_2(p_1)|\text{HCl}(0.1\,\text{mol}\cdot\text{kg}^{-1})|\text{Cl}_2(p_2)|\text{Pt(s)}$,在负极,$\text{Cl}^-$ 失去电子被氧化为 $\text{Cl}_2$,电极反应式为:
- 推导电池总反应:将正负极反应式相加,消去相同的物质,得到电池总反应式。
将上述正负极反应式相加,可得总反应为:
$\text{Cl}_2(p_2) \rightarrow \text{Cl}_2(p_1)$
也可写成 $\text{Cl}_2(p_2) + 2e^- \leftrightarrow 2\text{Cl}^- \leftrightarrow \text{Cl}_2(p_1) + 2e^-$ 的形式。 - 计算电池电动势:根据能斯特方程计算电池电动势。对于电池反应 $\text{Cl}_2(p_2) \rightarrow \text{Cl}_2(p_1)$,其能斯特方程为:
$E = E^{\ominus} - \frac{RT}{nF} \ln Q$
其中,$E^{\ominus}$ 为标准电动势,对于该电池,正负极电极相同,$E^{\ominus}=0$;$R$ 为气体常数($8.314\,\text{J}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$);$T$ 为热力学温度;$n$ 为电池反应中转移的电子数,这里 $n = 2$;$F$ 为法拉第常数($96485\,\text{C}\cdot\text{mol}^{-1}$);$Q$ 为反应商,对于该反应 $Q = \frac{p_1}{p_2}$。
将 $E^{\ominus}=0$ 代入能斯特方程,可得:
$E = -\frac{RT}{2F} \ln \frac{p_1}{p_2}$ - 判断电动势正负:已知 $p_1>p_2$,则 $\frac{p_1}{p_2}>1$,根据对数函数性质,$\ln \frac{p_1}{p_2} > 0$。
因为 $R>0$,$T>0$,$F>0$,$n = 2>0$,所以 $-\frac{RT}{2F} \ln \frac{p_1}{p_2}<0$,即 $E < 0$。