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?已知该温度下水的蒸气压为 3565 , (Pa)。
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?已知该温度下水的蒸气压为 $3565 \, \text{Pa}$。
题目解答
答案
根据气体状态方程,湿气体中实际气体分压为 $ p = 97760 \, \text{Pa} $。
对于H₂:
\[
n_{\text{H}_2} = \frac{97760 \times 0.001}{8.314 \times 300} \approx 0.0392 \, \text{mol}
\]
\[
Q = 0.0392 \times 2 \times 96485 \approx 7560 \, \text{C}, \quad t = \frac{7560}{5} = 1512 \, \text{s}
\]
对于O₂:
\[
n_{\text{O}_2} = 0.0392 \, \text{mol}, \quad Q = 0.0392 \times 4 \times 96485 \approx 15120 \, \text{C}, \quad t = \frac{15120}{5} = 3024 \, \text{s}
\]
综上,获得0.001 m³ H₂需1512秒,获得0.001 m³ O₂需3024秒。
答案:
- 获得0.001 m³ H₂需1512秒。
- 获得0.001 m³ O₂需3024秒。
解析
本题主要考察了气体状态方程、电解反应中物质的量与电量的关系以及电流强度与时间的关系。解题的关键思路如下:
- 首先,根据总压强和水的蒸气压,计算出氧气和氢气的实际分压。
- 然后,利用理想气体状态方程 $pV = nRT$ 计算出氧气和氢气的物质的量。
- 接着,根据电解反应的化学计量关系,确定生成氢气和氧气所需的电子摩尔数,进而计算出所需的电量 $Q$。
- 最后,根据电流强度 $I$ 和电量 $Q$ 的关系 $Q = It$,计算出通电时间 $t$。
具体计算过程
- 计算氧气和氢气的实际分压:
已知总压强 $p_{总}=101325 \, \text{Pa}$,水的蒸气压 $p_{水}=3565 \, \text{Pa}$,则氧气和氢气的实际分压为:
$p = p_{总}-p_{水}=101325 - 3565 = 97760 \, \text{Pa}$ - 计算氢气的物质的量、所需电量和通电时间:
- 根据理想气体状态方程 $pV = nRT$,可得氢气的物质的量 $n_{\text{H}_2}$ 为:
$n_{\text{H}_2} = \frac{pV}{RT} = \frac{97760 \times 0.001}{8.314 \times 300} \approx 0.0392 \, \text{mol}$ - 电解水生成氢气的反应为 $2H^+ + 2e^- \longrightarrow H_2$,可知生成 $1 \, \text{mol}$ 氢气需要 $2 \, \text{mol}$ 电子。法拉第常数 $F = 96485 \, \text{C/mol}$,则生成 $0.0392 \, \text{mol}$ 氢气所需的电量 $Q_{\text{H}_2}$ 为:
$Q_{\text{H}_2} = n_{\text{H}_2} \times 2 \times F = 0.0392 \times 2 \times 96485 \approx 7560 \, \text{C}$ - 已知电流强度 $I = 5 \, \text{A}$,根据 $Q = It$,可得通电时间 $t_{\text{H}_2}$ 为:
$t_{\text{H}_2} = \frac{Q_{\text{H}_2}}{I} = \frac{7560}{5} = 1512 \, \text{s}$
- 根据理想气体状态方程 $pV = nRT$,可得氢气的物质的量 $n_{\text{H}_2}$ 为:
- 计算氧气的物质的量、所需电量和通电时间:
- 由电解水的反应 $2H_2O \longrightarrow O_2 + 4H^+ + 4e^-$ 可知,在相同条件下,生成氢气和氧气的体积比为 $2:1$,物质的量比也为 $2:1$。因为生成氢气和氧气的体积相同,所以它们的物质的量也相同,即 $n_{\text{O}_2} = n_{\text{H}_2} = 0.0392 \, \text{mol}$。
- 生成 $1 \, \text{mol}$ 氧气需要 $4 \, \text{mol}$ 电子,则生成 $0.0392 \, \text{mol}$ 氧气所需的电量 $Q_{\text{O}_2}$ 为:
$Q_{\text{O}_2} = n_{\text{O}_2} \times 4 \times F = 0.0392 \times 4 \times 96485 \approx 15120 \, \text{C}$ - 同理,可得通电时间 $t_{\text{O}_2}$ 为:
$t_{\text{O}_2} = \frac{Q_{\text{O}_2}}{I} = \frac{15120}{5} = 3024 \, \text{s}$