Question

17．（1）图a是根据反应Zn+CuSO₄=Cu+ZnSO₄设计成的锌铜原电池．电解质溶液甲是ZnSO₄（填“ZnSO₄”或“CuSO₄”）溶液：Cu极的电极反应式是Cu²⁺+2e^-=Cu．

（2）图b中，Ⅰ是甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）的结构示意图，该同学想在Ⅱ中实现铁上镀铜．
①a处电极上发生的电极反应是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
②若实验过程中Ⅱ中的铜片质量减少了6.4g，则Ⅰ中理论上消耗CH₄的体积（标准状况）0.56L．
③若图二中的Ⅱ改为用惰性电极电解200mL 0.05mol/L的CuSO₄溶液，一段时间后溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，恢复至室温，溶液pH=1（忽略电解过程中溶液体积变化）；若将上述电解后的溶液恢复为与电解前的溶液相同，可以加入一定质量的b（填序号）．
a．Cu b．CuO C．Cu（OH）₂ d．CuSO₄
（3）①FeCl₃可用作印刷电路铜板的腐蚀剂．
写出FeCl₃溶液腐蚀印刷电路铜板的离子方程式2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺；
若将此反应设计成原电池，该原电池的负极材料为Cu，正极上的电极反应式为Fe³⁺+e^-=Fe²⁺．
②腐蚀铜板后的混合溶液中含Cu²⁺、Fe³⁺、Fe²⁺的浓度均为0.10mol/L，请参照下表给出的数据和药品，简述除去CuCl₂溶液中Fe³⁺和Fe²⁺的实验步骤：①通入足量氯气将Fe²⁺氧化成Fe³⁺；②加入CuO调节溶液的pH至3.2-4.7；③过滤（除去Fe（OH）₃）．

离子（0.1mol/L）	Cu2+	Fe2+	Fe3+	提供的药品（根据需要选择使用）
氢氧化物开始沉淀pH	4.7	7.0	1.9	Cl2、NaOH溶液、CuO、Cu
氢氧化物沉淀完全pH	6.7	9.0	3.2

Answer 1

分析 （1）根据反应Zn+CuSO₄=Cu+ZnSO₄ 设计成的锌铜原电池，则电解质溶液甲是电极为硫酸锌，锌失电子为负极，Cu为正极，该电极上是铜离子得到电子；
（2）①铁上镀铜，则Cu为阳极，Cu电极与b相连，b为原电池的正极，正极上氧气得电子，a为负极，负极上甲烷失电子；
②根据转移的电子守恒计算；
③结合2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出计算反应后溶液的pH，电解硫酸铜溶液，要想恢复到与电解前的溶液相同，应加入CuO；
（3）①Fe³⁺有强氧化性，能把金属铜氧化成铜离子；根据电池反应式设计原电池，由发生反应的反应类型设计正负极，将发生氧化反应的金属单质设计成负极，比负极不活泼的金属或导电的非金属设计成正极，反应物中的电解质设计为电解质溶液；
②先将将Fe²⁺转化成Fe³⁺；再根据图表条件溶液的pH值，三价铁离子沉淀完全后，进行过滤即可；

解答 解：（1）根据反应Zn+CuSO₄=Cu+ZnSO₄ 设计成的锌铜原电池，则锌失电子为负极，Cu为正极，该电极上是铜离子得到电子的还原反应，电极反应为Cu²⁺+2e^-=Cu，
故答案为：ZnSO₄；Cu²⁺+2e^-=Cu；
（2）①铁上镀铜，则Cu为阳极，Cu电极与b相连，b为原电池的正极，即b处通入O₂，a处电极上发生的电极反应式是：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②当铜电极的质量减轻6.4g，则n（Cu）=$\frac{6.4g}{64g/mol}$=0.1mol，已知Cu电极的反应为Cu-2e^-=Cu²⁺，所以转移电子为0.2mol，燃料电池中CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，则n（CH₄）=$\frac{1}{8}$n（e^-）=0.025mol，所以消耗的CH₄在标准状况下的体积为0.025mol×22.4L/mol=0.56L；
故答案为：0.56；
③溶液中的Cu²⁺恰好完全析出，则析出的n（Cu）=0.2L×0.05mol/L=0.01mol，则生成硫酸0.01mol，氢离子为0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，pH=1；电解硫酸铜溶液，溶液中的Cu²⁺恰好完全析出后，要想恢复到与电解前的溶液相同，应加入CuO，
故答案为：1；b；
（3）①Fe³⁺有强氧化性，能把金属铜氧化成铜离子，自身被还原成 Fe²⁺，反应方程式为2FeCl₃+Cu=CuCl₂+2FeCl₂，离子方程式为：2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺，设计成原电池时，负极上发生氧化反应，正极上发生还原反应，该电池反应中三价铁离子得电子发生还原反应，所以正极上的电极反应式为Fe³⁺+e^-=Fe²⁺（或2Fe³⁺+2e^-=2Fe²⁺），铜失电子发生氧化反应，所以负极上的电极反应式为Cu=2Cu²⁺+2e^-（或Cu-2e^-=Cu²⁺）；电池反应中发生氧化反应的金属作负极，所以铜作负极，不如负极活泼的金属或导电的非金属作正极，可选石墨作正极，发生还原反应的电解质溶液作原电池的电解质溶液，
故答案为：2Fe³⁺+Cu=Cu²⁺+2Fe²⁺；Cu；Fe³⁺+e^-=Fe²⁺；
②根据图表知，Fe³⁺沉淀需要的PH值较小，与铜离子沉淀时的PH值相差较大，所以首先将二价铁离子转化为三价铁离子，选取的试剂不能引进新的杂质离子，所以选取氯气 作氧化剂；然后加热氧化铜除去氯气溶解生成的盐酸，在PH值3.2时三价铁离子完全沉淀，PH值4.7时铜离子开始沉淀，所以调节溶液的PH值至3.2-4.7；然后通过过滤除去生成的沉淀．
故答案为：①通入足量氯气将Fe²⁺氧化成Fe³⁺；②加入CuO调节溶液的pH至3.2-4.7；③过滤（除去Fe（OH）₃）．

点评 本题考查盐类水解、原电池、电镀原理、电解池 中电子守恒的计算、离子除杂分析等，是对所学知识的综合考查，题目难度中等，电极过程中溶液PH计算、电极反应式书写为易错点．