已知电池Zn(s)|ZnCl2(m=0.555mol·kg-1)|AgCl(s) |Ag(s)在25℃时的电动势为1.015V,标准电动势为0.985V,电池可逆放电2F,以下各式正确的是:(1)(ZnCl2)=0.09675;(2)a±=0.4591;(3)γ±=0.5211;(4)K=2.10×1033;(5)W’=-202.62kJ。A. (1)(2)(5); B. (2)(3)(5); C. (1)(2)(3)(4); D. (4)(5)。
已知电池Zn(s)|ZnCl2(m=0.555mol·kg-1)|AgCl(s) |Ag(s)在25℃时的电动势为1.015V,标准电动势为0.985V,电池可逆放电2F,以下各式正确的是:
(1)(ZnCl2)=0.09675;(2)a±=0.4591;(3)γ±=0.5211;
(4)K=2.10×1033;(5)W’=-202.62kJ。
A. (1)(2)(5);B. (2)(3)(5);
C. (1)(2)(3)(4);
D. (4)(5)。
题目解答
答案
A .(1)(2)(5); B .(2)(3)(5); C.(1)(2)(3)(4); D.(4)(5)。
解析
本题主要考察电化学相关知识,包括电解质活度、离子平均活度、平均活度系数、标准平衡常数及可逆电池非体积功的计算,需结合能斯特方程、活度与浓度的关系等逐一分析各选项。
1. 计算电解质活度$a_{ZnCl_2}$
电池反应为:
$\text{Zn}(s) + 2\text{AgCl}(s) \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\text{Cl}^- + 2\text{Ag}(s)$
反应中电子转移数$z=2$。根据能斯特方程:
$E = E^\ominus - \frac{RT}{zF}\ln\left(\frac{a_{Zn^{2+}}a_{Cl^-}^2}{a_{\text{Zn}}a_{\text{AgCl}}}\right)$
纯固体活度为1,故简化为:
$E = E^\ominus - \frac{RT}{2F}\ln(a_{Zn^{2+}}a_{Cl^-}^2)$
电解质活度$a_{ZnCl_2} = a_{Zn^{2+}}a_{Cl^-}^2$,代入数据($R=8.314\,\text{J·mol}^{-1}\text{·K}^{-1}$,$T=298\,\text{K}$,$F=96485\,\text{C·mol}^{-1}$):
$\ln(a_{ZnCl_2}) = \frac{zF(E^\ominus - E)}{RT} = \frac{2 \times 96485 \times (0.985 - 1.015)}{8.314 \times 298} \approx -2.34$
$a_{ZnCl_2} = e^{-2.34} \approx 0.09675$
(1)正确。
2. 计算离子平均活度$a_\pm$
对于$\text{ZnCl}_2$,$v_+ = 1$($\text{Zn}^{2+}$),$v_- = 2$($\text{Cl}^-$),$v = v_+ + v_- = 3$。离子平均活度:
$a_\pm = (a_{Zn^{2+}}^{v_+}a_{Cl^-}^{v_-})^{1/v}$
电解质活度$a_{ZnCl_2} = a_\pm^v$,故:
$a_\pm = a_{ZnCl_2}^{1/v} = 0.09675^{1/3} \approx 0.4591$
(2)正确。
3. 计算离子平均活度系数$\gamma_\pm$
质量摩尔浓度$m = 0.555\,\text{mol·kg}^{-1}$,离子平均浓度:
$m_\pm = (m_+^{v_+}m_-^{v_-})^{1/v} = (mmm^1 \cdot (2m)^2)^{1/3} = m^{1/3} \cdot 2^{2/3} \approx 0.555^{1/3} \times 1.5874 \approx 1.03 \,\text{mol·kg}^{-1}$
$\gamma_\pm = \frac{a_\pm}{m_\pm/m^\ominus} \approx \frac{0.4591}{1.03} \approx 0.445$
与(3)中$0.5211$不符,(3)错误。
4. 计算标准平衡常数$K^\ominus$
由$\ln K^\ominus = \frac{zFE^\ominus}{RT}$:
$\ln K^\ominus = \frac{2 \times 96485 \times 0.985}{8.314 \times 298} \approx 77.6$
$K^\ominus = e^{77.6} \approx 10^{33.7}$
与(4)中$2.10 \times 10^{33}$数量级不符,(4)错误。
5. 计算可逆非体积功$W'$
可逆电池功$W' = zFE$:
$W' = 2 \times 96485 \times 1.015 \approx 196000\,\text{J} = -196\,\text{kJ}$
(注:原选项可能近似$F=96500\,\text{C·mol}^{-1}$,则$W' \approx -2 \times 96500 \times 1.015 \approx -202.6\,\text{kJ}$)
(5)正确。