Question

14．S0₂的含量是空气质量日报中一项重要检测指标，也是最近雾霾天气肆虐我国大部分地区的主要原因之一．
加大S0₂的处理力度，是治理环境污染的当务之急．
Ⅰ．电化学法处理SO₂．
硫酸工业尾气中的S0₂经分离后，可用于制备硫酸，同时获得电能，装置如右图1所示（电极均为惰性材料）：
（1）M极发生的电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-．
（2）若使该装置的电流强度达到2.0A，理论上每分钟应向负极通入标准状况下气体的体积为0.014L（已知：1个e所带电量为1.6×10^-19C）．
Ⅱ．溶液与电化学综合（钠碱循环法）处理SO₂．
（3）钠碱循环法中，用Na₂SO₃溶液作为吸收液来吸收SO₂，该反应的离子方程式为SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-．
（4）吸收液吸收SO₂的过程中，pH随$\frac{n（S{O}_{3}^{2-}）}{n（HS{O}_{3}^{-}）}$变化关系如图2所示：
①用图中数据和变化规律说明NaHSO₃溶液呈酸性的原因随$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$的减小，PH逐渐减小，PH减小，当$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：10，PH=6.2，溶液已显酸性，当为NaHSO₃溶液，溶液PH一定小于6.2，溶液显酸性．
②$\frac{n（S{O}_{3}^{2-}）}{n（HS{O}_{3}^{-}）}$=1：1时，溶液中离子浓度由大到小的顺序是c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）=c（HSO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
（5）当吸收液的pH降至约为6时，需送至电解槽处理，直至得到pH＞8的吸收液再循环利用，其电解示意图如图3：

①写出阳极发生的电极反应式HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺；
②当电极上有2mol电子转移时阴极产物的质量为2g．

Answer 1

分析 （1）该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，负极上的物质失电子发生氧化反应，正极上的物质得电子发生还原反应，据此分析M极发生的电极反应式；
（2）根据Q=It和N=$\frac{Q}{e}$结合SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-计算；
（3）SO₂被Na₂SO₃溶液吸收生成亚硫酸氢钠，硫酸氢钠是强电解质完全电离；
（4）①NaHSO₃溶液中主要以HSO₃^-存在，HSO₃^-的电离很微弱，所以n（SO₃^2-）：n（HSO₃^-）＜1：1，根据图象知，当亚硫酸氢根离子的物质的量大于亚硫酸根离子的物质的量时，亚硫酸氢钠溶液呈酸性，亚硫酸氢根离子既能水解又能电离，亚硫酸氢钠溶液呈酸性同时说明HSO₃^-的电离程度大于水解程度，随$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$的减小，PH逐渐减小，PH减小，当$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：10，PH=6.2，溶液已显酸性，当为NaHSO₃溶液，溶液PH一定小于6.2；
②$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：1，溶液为NaHSO₃溶液和Na₂SO₃溶液，溶液PH=7.2，溶液略显碱性，说明HSO₃^-的电离程度小于水解程度；
（5）①阳极上阴离子放电发生氧化反应；
②阴极上为阳离子H⁺得电子生成氢气．

解答 解：（1）该装置是原电池，反应原理为二氧化硫、氧气和水反应生成硫酸，通入氧气的N电极是正极，原电池放电时，氢离子由负极移向正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，负极M上，二氧化硫失电子和水反应生成硫酸，电极反应式为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-，
故答案为：SO₂-2e^-+2H₂O=4H⁺+SO₄^2-；
（2）根据Q=It=2A×60s=120C，N=$\frac{Q}{e}$=$\frac{120}{1.6×1{0}^{-19}}$=7.5×10²⁰个，
由SO₂～～～～2e^-
22.4      2×6.02×10²³
V         7.5×10²⁰
V=$\frac{22.4×7.5×1{0}^{20}}{2×6.02×1{0}^{23}}$≈0.014L，
故答案为：0.014；
（3）SO₂被Na₂SO₃溶液吸收生成亚硫酸氢钠，离子反应为SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-，故答案为：SO₃^2-+SO₂+H₂O=2HSO₃^-；
（4）①图象分析可知，$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：1，溶液PH=7.2，$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$＜1：1，PH＜7，溶液显酸性，$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：10，PH=6.2，溶液显酸性，所以当为NaHSO₃溶液，NaHSO₃溶液中HSO₃^-存在电离平衡，HSO₃^-?H⁺+SO₃^2- 和水解平衡：HSO₃^-+H₂O?H₂SO₃+OH^-，HSO₃^-的电离程度大于水解程度，溶液显酸性，随$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$的减小，PH逐渐减小，PH减小，当$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：10，PH=6.2，溶液已显酸性，当为NaHSO₃溶液，溶液PH一定小于6.2，溶液显酸性，
故答案为：随$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$的减小，PH逐渐减小，PH减小，当$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：10，PH=6.2，溶液已显酸性，当为NaHSO₃溶液，溶液PH一定小于6.2，溶液显酸性；
②$\frac{n（S{{O}_{3}}^{2-}）}{n（HS{{O}_{3}}^{-}）}$=1：1，溶液为NaHSO₃溶液和Na₂SO₃溶液，溶液PH=7.2，溶液略显碱性，说明HSO₃^-的电离程度小于水解程度，溶液中离子浓度大小为：c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）=c（HSO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（Na⁺）＞c（SO₃^2-）=c（HSO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
（5）①当吸收液的pH降至约为6时，吸收液中阴离子主要是亚硫酸氢根离子，亚硫酸氢根离子在阳极上失电子和水反应生成硫酸根离子和氢离子，电极反应式为：HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺，
故答案为：HSO₃^-+H₂O-2e^-=SO₄^2-+3H⁺；
②阴极上为阳离子H⁺得电子生成氢气，其电极反应式为：2H⁺+2e^-=H₂↑，所以当电极上有2mol电子转移时，生成1mol氢气，即阴极产物的质量为2g，
故答案为：2g．

点评 本题综合性较大，涉及到离子方程式、电解原理和离子浓度大小的比较、化学平衡影响因素以及电化学知识等知识点，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力的考查，难度较大．