题目
用电流强度为 5 , (A) 的直流电电解稀硫酸溶液,假设电流效率为 100%,在 300 , (K), 101325 , (Pa) 下,如欲获得氧气和氢气各 0.001 , (m)^3,需分别通电多少时间?
用电流强度为 $5 \, \text{A}$ 的直流电电解稀硫酸溶液,假设电流效率为 $100\%$,在 $300 \, \text{K}$, $101325 \, \text{Pa}$ 下,如欲获得氧气和氢气各 $0.001 \, \text{m}^3$,需分别通电多少时间?
题目解答
答案
根据气体状态方程,$ n = \frac{pV}{RT} = \frac{101325 \times 0.001}{8.314 \times 300} \approx 0.0406 \, mol $。
对于 $ H_2 $:
\[
Q = 0.0812 \, mol \times 96485 \, C/mol \approx 7830 \, C, \quad t = \frac{7830}{5} = 1566 \, s
\]
对于 $ O_2 $:
\[
Q = 0.1624 \, mol \times 96485 \, C/mol \approx 15660 \, C, \quad t = \frac{15660}{5} = 3132 \, s
\]
最终结果:
- 获得 0.001 m³ $ H_2 $ 需要 1566 秒。
- 获得 0.001 m³ $ O_2 $ 需要 3132 秒。
解析
本题考查电解原理、气体状态方程以及电量、电流和时间的关系。解题思路如下:
- 首先根据理想气体状态方程$pV = nRT$计算出在给定条件下$0.001 \, \text{m}^3$气体的物质的量$n$。
- 然后根据电解水的化学方程式$2H_{2}O \stackrel{电解}{=\!=\!=} 2H_{2}\uparrow + O_{2}\uparrow$,分析生成氢气和氧气与转移电子数的关系,进而计算出生成相应物质的量的氢气和氧气所需的电量$Q$。
- 最后根据公式$Q = It$(其中$I$为电流强度,$t$为时间)计算出通电时间$t$。
具体计算过程
- 计算气体的物质的量$n$
已知$p = 101325 \, \text{Pa}$,$V = 0.001 \, \text{m}^3$,$R = 8.314 \, \text{J/(mol}\cdot\text{K)}$,$T = 300 \, \text{K}$,根据理想气体状态方程$pV = nRT$,可得:
$n = \frac{pV}{RT} = \frac{101325 \times 0.001}{8.314 \times 300} \approx 0.0406 \, \text{mol}$ - 计算生成氢气所需的电量$Q_{H_2}$和时间$t_{H_2}$
在电解水的反应中,生成$1$摩尔氢气需要转移$2$摩尔电子。所以生成$0.0812 \, \text{mol}$氢气(因为$n_{H_2}=2n = 2\times0.0406 = 0.0812 \, \text{mol}$)转移的电子的物质的量为$0.0812 \times 2 = 0.1624 \, \text{mol}$。
根据法拉第常数$F = 96485 \, \text{C/mol}$,可得所需电量$Q_{H_2}$为:
$Q_{H_2} = 0.0812 \, \text{mol} \times 2\times 96485 \, \text{C/mol} \approx 7830 \, \text{C}$
已知电流强度$I = 5 \, \text{A}$,根据$Q = It$,可得通电时间$t_{H_2}$为:
$t_{H_2} = \frac{Q_{H_2}}{I} = \frac{7830}{5} = 1566 \, \text{s}$ - 计算生成氧气所需的电量$Q_{O_2}$和时间$t_{O_2}$
在电解水的反应中,生成$1$摩尔氧气需要转移$4$摩尔电子。所以生成$0.0406 \, \text{mol}$氧气转移的电子的物质的量为$0.0406 \times 4 = 0.1624 \, \text{mol}$。
所需电量$Q_{O_2}$为:
$Q_{O_2} = 0.0406 \, \text{mol} \times 4\times 96485 \, \text{C/mol} \approx 15660 \, \text{C}$
根据$Q = It$,可得通电时间$t_{O_2}$为:
$t_{O_2} = \frac{Q_{O_2}}{I} = \frac{15660}{5} = 3132 \, \text{s}$