Question

4．电解原理和原电池原理是电化学的两个重要内容．某兴趣小组做如下探究实验：

（1）如图1为某实验小组依据氧化还原反应设计的原电池装置，该反应的离子方程式为Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺．反应前，电极质量相等，一段时间后，两电极质量相差12g，导线中通过0.2mol电子．
（2）其他条件不变，若将CuCl₂溶液换为NH₄Cl溶液，石墨电极反应式2H⁺+2e^-=H₂↑，
（3）如图2，其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置中石墨（1）为阴极（填正、负、阴、阳），乙装置中与铜线相连的石墨（2）电极上发生的反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑．
（4）在图2乙装置中改为加入400mL CuSO₄溶液，一段时间后，若电极质量增重 1.28g，则此时溶液的pH为1．
（5）二氧化氯（ClO₂）为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂．目前已开发出用电解法制取ClO₂的新工艺．如图2装置用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO₂．①写出阳极产生ClO₂的电极反应式：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺．
②电解一段时间，当阴极产生的气体体积为112mL（标准状况）时，停止电解．通过阳离子交换膜的阳离子的物质的量为0.01 mol．

Answer 1

分析 （1）根据自发氧化还原反应知识来书写，并根据两极反应结合两极质量变化进行计算；
（2）氯化铵中，铵根离子水解导致溶液显示酸性，正极生成氢气；
（3）根他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池；
（4）阴极反应：Cu²⁺+2e^-=Cu，当该极增重1.28g即0.02mol时，转移电子是0.04mol，结合总反应式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑计算pH；
（5）①阳极发生氧化反应，由题意可知，氯离子放电生成ClO₂，由元素守恒可知，有水参加反应，结合电荷守恒可知，同时生成氢离子；
②在阴极发生反应：2H⁺+2e^-=H₂↑，根据n=$\frac{V}{{V}_{m}}$计算氢气的物质的量，通过阳离子交换膜的阳离子为+1价离子，根据电子转移守恒计算阳离子的物质的量；

解答 解：（1）设计的原电池装置的自发氧化还原反应是：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺，设电子转移量是x，则64×0.5x+56×0.5x=12，解得x=0.2，
故答案为：Fe+Cu²⁺=Cu+Fe²⁺；0.2；
（2）氯化铵中，铵根离子水解导致溶液显示酸性，实质是：NH₄⁺+H₂O?NH₃•H₂O+H⁺，正极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，
故答案为：2H⁺+2e^-=H₂↑；
（3）其他条件不变，若将盐桥换成弯铜导线与石墨相连成n型，则乙装置是电解池，甲装置是原电池，Fe是负极，Cu丝是正极，所以其中与铜线相连石墨电极是阳极，该极上发生的反应式为2Cl^--2e^-=Cl₂↑，
故答案为：阴；2Cl^--2e^-=Cl₂↑；
（4）阴极反应：Cu²⁺+2e^-=Cu，当该极增重1.28g即0.02mol时，转移电子是0.04mol，总反应式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，可知生成0.04molH⁺，
则c（H⁺）=$\frac{0.04mol}{0.4L}$=0.1mol/L，pH=1，
故答案为：1；
（5）①阳极发生氧化反应，由题意可知，氯离子放电生成ClO₂，由元素守恒可知，有水参加反应，结合电荷守恒可知，同时生成氢离子，阳极电极反应式为：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺，
故答案为：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺；
②在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，氢气的物质的量为$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，通过阳离子交换膜的阳离子为+1价离子，故交换膜的阳离子的物质的量为0.005mol×2=0.01mol，故答案为：0.01mol．

点评 本题涉及原电池、电解池的工作原理以及电极反应式的书写和电子守恒的应用知识，为高频考点，侧重于学生的分析、计算能力的考查，属于综合知识的考查，难度中等．