Question

4．電解原理和原電池原理是電化學的兩個重要內(nèi)容．某興趣小組做如下探究實驗：

（1）如圖1為某實驗小組依據(jù)氧化還原反應設計的原電池裝置，該反應的離子方程式為Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺．反應前，電極質(zhì)量相等，一段時間后，兩電極質(zhì)量相差12g，導線中通過0.2mol電子．
（2）其他條件不變，若將CuCl₂溶液換為NH₄Cl溶液，石墨電極反應式2H⁺+2e^-=H₂↑，
（3）如圖2，其他條件不變，若將鹽橋換成彎銅導線與石墨相連成n型，則乙裝置中石墨（1）為陰極（填正、負、陰、陽），乙裝置中與銅線相連的石墨（2）電極上發(fā)生的反應式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑．
（4）在圖2乙裝置中改為加入400mL CuSO₄溶液，一段時間后，若電極質(zhì)量增重 1.28g，則此時溶液的pH為1．
（5）二氧化氯（ClO₂）為一種黃綠色氣體，是國際上公認的高效、廣譜、快速、安全的殺菌消毒劑．目前已開發(fā)出用電解法制取ClO₂的新工藝．如圖2裝置用石墨作電極，在一定條件下電解飽和食鹽水制取ClO₂．①寫出陽極產(chǎn)生ClO₂的電極反應式：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺．
②電解一段時間，當陰極產(chǎn)生的氣體體積為112mL（標準狀況）時，停止電解．通過陽離子交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為0.01 mol．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)自發(fā)氧化還原反應知識來書寫，并根據(jù)兩極反應結(jié)合兩極質(zhì)量變化進行計算；
（2）氯化銨中，銨根離子水解導致溶液顯示酸性，正極生成氫氣；
（3）根他條件不變，若將鹽橋換成彎銅導線與石墨相連成n型，則乙裝置是電解池，甲裝置是原電池；
（4）陰極反應：Cu²⁺+2e^-=Cu，當該極增重1.28g即0.02mol時，轉(zhuǎn)移電子是0.04mol，結(jié)合總反應式為2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑計算pH；
（5）①陽極發(fā)生氧化反應，由題意可知，氯離子放電生成ClO₂，由元素守恒可知，有水參加反應，結(jié)合電荷守恒可知，同時生成氫離子；
②在陰極發(fā)生反應：2H⁺+2e^-=H₂↑，根據(jù)n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計算氫氣的物質(zhì)的量，通過陽離子交換膜的陽離子為+1價離子，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算陽離子的物質(zhì)的量；

解答 解：（1）設計的原電池裝置的自發(fā)氧化還原反應是：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺，設電子轉(zhuǎn)移量是x，則64×0.5x+56×0.5x=12，解得x=0.2，
故答案為：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺；0.2；
（2）氯化銨中，銨根離子水解導致溶液顯示酸性，實質(zhì)是：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，正極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案為：2H⁺+2e^-=H₂↑；
（3）其他條件不變，若將鹽橋換成彎銅導線與石墨相連成n型，則乙裝置是電解池，甲裝置是原電池，F(xiàn)e是負極，Cu絲是正極，所以其中與銅線相連石墨電極是陽極，該極上發(fā)生的反應式為2Cl^--2e^-=Cl₂↑，
故答案為：陰；2Cl^--2e^-=Cl₂↑；
（4）陰極反應：Cu²⁺+2e^-=Cu，當該極增重1.28g即0.02mol時，轉(zhuǎn)移電子是0.04mol，總反應式為2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，可知生成0.04molH⁺，
則c（H⁺）=$\frac{0.04mol}{0.4L}$=0.1mol/L，pH=1，
故答案為：1；
（5）①陽極發(fā)生氧化反應，由題意可知，氯離子放電生成ClO₂，由元素守恒可知，有水參加反應，結(jié)合電荷守恒可知，同時生成氫離子，陽極電極反應式為：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺，
故答案為：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺；
②在陰極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑，氫氣的物質(zhì)的量為$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，通過陽離子交換膜的陽離子為+1價離子，故交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為0.005mol×2=0.01mol，故答案為：0.01mol．

點評 本題涉及原電池、電解池的工作原理以及電極反應式的書寫和電子守恒的應用知識，為高頻考點，側(cè)重于學生的分析、計算能力的考查，屬于綜合知識的考查，難度中等．