Question

3．全钒液流储能电池是利用不同价态离子对的氧化还原反应来实现化学能和电能相互转化的装置，其原理如图1所示．

①当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O．
②充电过程中，右槽溶液颜色逐渐由绿色变为紫色．
③放电过程中氢离子的作用是参与正极反应和通过交换膜定向移动使溶液成电中性；充电时若转移的电子数为3.01×10²³个，左槽溶液中n（H⁺）的变化量为0.5mol．
（1）若负载是镀铜的电镀槽，则纯铜应该连接左槽（填左或右）中的电极．
（2）若负载是用石墨作电极，3mol/L KCl和0.5mol/L Al₂（SO4）₃的混合溶液的电解池时，图2电解变化的曲线合理的是AD

（3）电解法处理污水已经得到广泛的应用．若负载是酸性介质中将有毒的Cr₂O₇^2-转变为Cr³⁺的电解池．装置如图3所示，请用文字描述其工作原理

工作原理阳极的金属铁放电得到的亚铁离子将Cr₂O₇^2-还原为Cr³⁺．
（4）若负载是进行三电极法污水处理的电解池原理如图4所示，增加的铁电极的可能作用是产生促使污物聚沉的Fe（OH）₃．

Answer 1

分析 ①左槽溶液逐渐由黄变蓝，VO₂⁺转变为VO²⁺，发生还原反应，应为原电池的正极，
②充电过程中，右槽连接电源的负极，发生还原反应，为电解池的阴极，电极反应式为V³⁺+e^-=V²⁺，
③充电时，左槽发生的反应为VO²⁺+H₂O-e^-=VO₂⁺+2H⁺当转移电子为3.01×10²³个即为0.5 mol电子时，生成氢离子为0.5 mol；
（1）电镀铜时铜为阳极，连接电源的正极；
（2）Al₂（SO₄）₃水解呈酸性，离子放电顺序为H⁺＞Al³⁺＞Na⁺，Cl^-＞OH^-＞SO₄^2-，阳极依次发生：2Cl^--2e^-═Cl₂↑，4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，结合相关离子的物质的量解答该题；
（3）判断电解池中Fe的阴阳极，然后分析其工作原理；
（4）C为电极时生成氯气，Fe为阳极时生成亚铁离子，亚铁离子与氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁被氯气成氢氧化铁，结合氢氧化铁具有吸附性分析对污水的影响．

解答 解：①当左槽溶液逐渐由黄变蓝，其电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，说明此时为原电池，且为原电池的正极，
故答案为：VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O；
②充电过程中，右槽连接的是电源负极，为电解池的阴极，电极反应式为V³⁺+e^-=V²⁺，V³⁺为绿色，V²⁺为紫色，
故可以看到右槽溶液颜色逐渐由绿色变为紫色．
故答案为：绿；紫；
③放电过程中，电极反应式为VO₂⁺+2H⁺+e^-=VO²⁺+H₂O，氢离子的作用是充电时，参与正极反应，通过交换膜定向移动使溶液成电中性；左槽发生的反应为VO²⁺+H₂O=VO₂⁺+2H⁺+e^-，当转移电子为3.01×10²³个即为0.5 mol电子时，生成氢离子为0.5mol，则氢离子变化0.5mol，
故答案为：参与正极反应；通过交换膜定向移动使溶液成电中性；0.5mol；
（1）若负载是镀铜的电镀槽，则纯铜为阳极，应该连接电源的正极，即左槽，
故答案为：左；
（2）假设混合溶液的体积为1L，
则n（Cl^-）=0.3mol，n（Al³⁺）=0.1mol，
离子放电顺序为H⁺＞Al³⁺＞Na⁺，Cl^-＞OH^-＞SO₄^2-，
阳极发生：2Cl^--2e^-═Cl₂↑，Cl^-离子全部放电，失去0.3mol电子，
阴极反应为2H⁺+2e^-═H₂↑，得到0.3mol电子，生成0.3molOH^-，
发生Al³⁺+3OH^-═Al（OH）₃↓，
剩余溶液为K₂SO₄，溶液呈中性，pH=7，
继续电解，为电解水，溶液pH不变，沉淀不溶解，
所以图2电解变化的曲线合理的是AD，
故答案为：AD；
（3）铁电极连接原电池的正极，为电解池的阳极，则铁失去电子生成亚铁离子，亚铁离子将Cr₂O₇^2-还原为Cr³⁺，发生反应为：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
故答案为：阳极的金属铁放电得到的亚铁离子将Cr₂O₇^2-还原为Cr³⁺；
（4）根据图示可知，阳极为C时生成氯气，阳极为Fe时溶液中产生亚铁离子，亚铁离子与氢氧根离子反应生成氢氧化亚铁，氢氧化亚铁易被氯气氧化成氢氧化铁，氢氧化铁具有很强吸附性，可以净水，
故答案为：产生促使污物聚沉的Fe（OH）₃．

点评 本题考查原电池和电解池的知识，较为综合，题目难度中等，做题时注意利用守恒的思考去解答，同时注意电极反应式的书写方法，试题培养了学生的灵活应用能力．