Question

17．二氧化氯（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．
（1）①如图装置用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取ClO₂．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0.01mol．
（2）为提高甲醇燃料的利用率，科学家发明了一种燃料电池，电池的一个电极通入空气，另一个电极通入甲醇气体，电解质是掺入了Y₂O₃的ZrO₂晶体，在高温下它能传导O^2-离子．电池工作时正极反应为O₂+4e^-=2O^2-．
（3）若以该电池为电源，用石墨做电极电解100mL含有如下离子的溶液．

离子	Cu2+	H+	Cl-	SO42-
c/mol•L-1	1	4	4	1

电解一段时间后，当两极收集到相同体积（相同条件）的气体时（忽略溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象）阳极上收集到氧气的物质的量为0.1mol．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）根据原电池原理，正极O₂得到电子生成负极O^2-；
（3）依据电解原理和溶液中离子放电顺序，结合电子守恒和电极反应计算得到．

解答 解：（1）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：0.01；
（2）燃料电池，电池的一个电极通 入空气，另一个电极通入甲醇气体，电解质是掺入了 Y₂O₃的ZrO₂晶体，在高温下它能传导O^2-离子，根据原电池原理，正极O₂得到电子生成负极O^2-：O₂+4e^-=2O^2-，故答案为：O₂+4e^-=2O^2-；
（3）电解一段时间后，当两极收集到相同体积（相词条件）的气体时（忽略溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶解现象），100ml溶液中含有c（Cu²⁺）=1mol/L，c（H⁺）=4mol/L，c（Cl^-）=4mol/L，c（SO₄^2-）=1mol/L；
阳极氯气和阴极氢气相同，设阳极生成的氧气物质的量为x，阴极上也应生成氢气物质的量x
阳极电极反应为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，4OH^--4e-=2H₂O+O₂↑，
             0.4mol  0.4mol  0.2mol         4x       x
阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，
            0.1mol  0.2mol 0.1mol
   2H⁺+2e^-=H₂↑；  2H⁺+2e^-=H₂↑；
0.4mol 0.4mol       0.2mol 2x   x
依据电子守恒0.4+4x=0.2+0.4+2x
x=0.1mol
阳极上收集到氧气的物质的量0.1mol；
故答案为：0.1．

点评 本题考查了原电池和电解池原理的分析应用，氧化还原反应的实质，掌握原理是解题关键，题目难度中等．