Question

20．（1）利用反应Cu+2FeCl₃═CuCl₂+2FeCl₂设计成如图所示的原电池，回答下列问题：
①写出电极反应式：
正极2Fe³⁺+2e^-═2Fe²⁺；
负极Cu-2e^-═Cu²⁺．
②图中X溶液是FeCl₃，Y溶液是CuCl₂．
③原电池工作时，盐桥中的阳（填“阳”、“阴”）离子向X溶液方向移动．
（2）该电池向外提供0.2mol电子，负极材料的质量变化为减少6.4g，假设该电解质溶液为1L，则以Fe³⁺浓度变化为减少0.2mol/L．
（3）利用反应2Cu+O₂+2H₂SO₄═2CuSO₄+2H₂O可制备CuSO₄，若将该反应设计为原电池，其正极电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据电池总反应式Cu+2FeCl₃═CuCl₂+2FeCl₂可知Cu元素化合价由0价变为+2价、Fe元素化合价由+3价变为+2价，所以Cu作负极，C作正极，利用盐桥组成原电池，将氧化剂FeCl₃和还原剂Cu分开，盐桥中阳离子移向正极，阴离子移向负极，据此解题；
（2）根据转移电子与Cu的关系式计算消耗Cu的质量；根据转移电子计算消耗的铁离子物质的量，再计算浓度的变化；
（3）正极发生的是化合价降低得电子的反应．

解答 解：（1）①根据电池总反应式Cu+2FeCl₃═CuCl₂+2FeCl₂可知Cu失电子作负极，电极反应为：Cu-2e^-═Cu²⁺；正极是三价铁离子得电子生成亚铁离子，电极反应为2Fe³⁺+2e^-═2Fe²⁺，
故答案为：2Fe³⁺+2e^-═2Fe²⁺；Cu-2e^-═Cu²⁺；
②利用盐桥组成原电池，将氧化剂FeCl₃和还原剂Cu分开，则Y是CuCl₂溶液，X是FeCl₃溶液，
故答案为：FeCl₃；CuCl₂；
③原电池工作时，盐桥中的阳离子向正极移动，即X溶液方向移动，
故答案为：阳；
（2）根据负极反应Cu-2e^-=Cu²⁺可知消耗1mol铜，转移2mol电子，故转移0.2mol电子，消耗的铜为0.1mol，质量为0.1mol×64g/mol=6.4g；正极反应2Fe³⁺+2e^-═2Fe²⁺，所以消耗Fe³⁺的物质的量为0.2mol，则Fe³⁺浓度变化为△c=$\frac{△n}{V}$=$\frac{0.2mol}{1L}$=0.2mol/L，
故答案为：减少6.4g；减少0.2mol/L；
（3）原电池正极发生的是化合价降低得电子的反应，根据方程式可知是O₂得电子，另外，由于H₂SO₄存在，所以发生的O₂酸性条件下的电极反应：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，
故答案为：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O．

点评 本题考查了原电池的设计，根据方程式中元素化合价升降进行判断，方程式中失电子化合价升高的金属单质作负极，得电子化合价降低的化合物为其电解质，难度中等．