Question

某校化学研究性学习小组欲设计实验验证Fe、Cu的金属活动性，他们提出了以下两种方案．请你帮助他们完成有关实验项目：
方案Ⅰ：有人提出将形状和大小均相等的铁片和铜片，分别同时放入100ml2.0mol/L稀硫酸中，观察产生气泡的快慢，据此可以确定它们的金属活动性．该原理的离子方程式为：

Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；

；若反应进行到2min时共收集到标准状况下的气体1120ml，则用硫酸表示的该反应的反应速率为（溶液体积变化忽略不计）：

0.25mol/（L?min）

．
方案Ⅱ：有人利用Fe、Cu作电极设计成原电池，以确定它们的活动性．试在下面的方框内画出你设计的原电池装置图，注明电解质溶液名称和正负极材料，标出电子流动方向，并写出电极反应式．
正极反应式：

2H⁺+2e^-═H₂↑

．
负极反应式：

Fe-2e^-═Fe²⁺

．
方案Ⅲ：结合你所学的知识，帮助他们再设计一个验证Fe、Cu活动性的简单实验方案（与方案Ⅰ、Ⅱ不能雷同）：

将铁片置于CuSO₄溶液中，一段时间后观察Fe表面有红色的金属铜析出，即可以证明金属铁的活泼性强于金属铜的

，用离子方程式表示其反应原理：

Fe+Cu²⁺═Fe²⁺+Cu

．

Answer 1

分析：方案Ⅰ：根据铁与酸的反应分析并写出离子方程式；
根据氢气的体积计算消耗的硫酸的量，然后根据化学反应速率公式计算；
Ⅱ：根据正负极上得失电子写出电极反应式；
Ⅲ：根据铁、铜之间的置换反应设计；

解答：解：Ⅰ：铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，离子方程式为Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；
Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑；
  1mol       22.4L   
  0.05mol    1.12L
所以消耗硫酸0.05mol，硫酸的反应速率=

△n

V△t

=

0.05mol

0.1L.2min

=0.25mol/L．min
故答案为：Fe+2H⁺═Fe²⁺+H₂↑；0.25mol/（L?min）；
Ⅱ：正极上氢离子得电子生成氢气，反应还原反应，电极反应式为2H⁺+2e^-═H₂↑；
负极上铁失电子生成二价铁离子，发生氧化反应，电极反应式为Fe-2e^-═Fe²⁺；
用铁、铜作电极，稀硫酸作电解质溶液设计原电池，铁的金属性比铜强，所以铁作负极，铜作正极，电子从负极沿导线流向正极．






故答案为：正极：2H⁺+2e^-═H₂↑；负极：Fe-2e^-═Fe²⁺；
Ⅲ：根据铁和铜的置换反应设计，设计方法如下：将铁片置于CuSO₄溶液中，一段时间后观察Fe表面有红色的金属铜析出，即可以证明金属铁的活泼性强于金属铜的；反应原理为：铁和铜离子发生氧化还原反应生成铜和二价铁离子．反应的离子方程式为：Fe+Cu²⁺═Fe²⁺+Cu．
故答案为：将铁片置于CuSO₄溶液中，一段时间后观察Fe表面有红色的金属铜析出，即可以证明金属铁的活泼性强于金属铜的；Fe+Cu²⁺═Fe²⁺+Cu．

点评：本题以原电池工作原理为载体判断金属的活泼性，在原电池中不能仅仅根据电极的正负极判断金属的活泼性，如：
在Mg-Al-NaOH溶液组成的原电池中，镁的金属性大于铝，但镁作正极，铝作负极．