Question

ClO₂是一种黄绿色气体，易溶于水．实验室以NH₄Cl、盐酸、NaClO₂（亚氯酸钠）、为原料制备ClO₂的流程如图：

（1）写出电解时发生反应的化学方程式：

 

．
（2）除去ClO₂中的NH₃可选用的试剂是

 

（填写字母）．
A．碳酸钠溶液    B．碱石灰      C．浓硫酸       D．水
（3）测定ClO₂的过程如下：在锥形瓶中加入足量的碘化钾，用50mL水溶解，再加3mL硫酸溶液，将生成的ClO₂气体通入锥形瓶中完全吸收，在锥形瓶中加入几滴淀粉溶液，用0.10mol/L的硫代硫酸钠标准液滴定（I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-），共用去50.00mL标准液．
①ClO₂通入锥形瓶中与酸性碘化钾溶液反应（还原产物为Cl^-），反应的离子方程式

 

；
②滴定终点现象是

 

；
③测得ClO₂的质量m（ClO₂）=

 

；
（4）以N₂、H₂为电极反应物，以1L浓度均为0.05mol?L^-1的HCl-NH₄Cl混合液为电解质溶液的燃料电池，请写出电池工作时的正极反应式：

 

．已知NH₃?H₂O在常温下的电离平衡常数为K，N₂-H₂燃料电池工作一段时间后溶液的pH=7，求电路中通过的电子的物质的量为

 

（用含K的代数式表示，假设NH₃与H₂O完全转化为NH₃?H₂O且忽略溶液体积的变化）． 若有3克H₂被完全氧化产生电能，并利用该过程中释放的电能电解足量的CuSO₄溶液，（假设以石墨为电极，整个过程中能量总利用率为80%），若要将CuSO₄溶液恢复到原来的浓度，需加入

 

（填化学式），质量为：

 

．

Answer 1

考点：制备实验方案的设计,化学电源新型电池,探究物质的组成或测量物质的含量

专题：实验设计题

分析：（1）由工艺流程转化关系可知，电解氯化铵与盐酸混合溶液，生成NCl₃与H₂．
（2）由信息可知，ClO₂易溶于水，所以不能利用水溶液吸收，氨气为碱性气体．据此判断．
（3）①由题目信息可知，ClO₂通入锥形瓶与酸性碘化钾溶液反应，氧化I^-为I₂，自身被还原为Cl^-，同时生成水；
②溶液由蓝色恰好变为无色，且半分钟内不褪色，说明滴定至终点；
③根据关系式2ClO₂～5I₂～10Na₂S₂O₃计算n（ClO₂），再根据m=nM计算m（ClO₂）．
（4）N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，以此书写电极反应式；根据溶液pH=7可知溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，然后根据一水合氨的电离平衡常数计算出溶液中氨水的浓度，再计算出氮气反应生成氨气和铵根离子的物质的量，最后计算出转移的电子数；用电惰性极电解CuSO₄溶液，阴极铜离子放电，阳极氢氧根离子放电，然后根据析出的物质向溶液中加入它们形成的化合物即可，根据电子守恒计算出需要加入的氧化铜．

解答： 解：（1）由工艺流程转化关系可知，电解氯化铵与盐酸混合溶液，生成NCl₃与H₂，
反应方程式为NH₄Cl+2HCl═3H₂↑+NCl₃．
故答案为：NH₄Cl+2HCl═3H₂↑+NCl₃．
（2）A、ClO₂易溶于水，不能利用碳酸钠溶液吸收氨气，故A错误；
B、碱石灰不能吸收氨气，故B错误；
C、浓硫酸可以吸收氨气，且不影响ClO₂，故C正确；
D、ClO₂易溶于水，不能利用水吸收氨气，故D错误．
故选：C．
（3）①由题目信息可知，ClO₂通入锥形瓶与酸性碘化钾溶液反应，氧化I^-为I₂，自身被还原为Cl^-，同时生成水，反应离子方程式为2ClO₂+10I^-+8H⁺=2Cl^-+5I₂+4H₂O．
故答案为：2ClO₂+10I^-+8H⁺=2Cl^-+5I₂+4H₂O．
②溶液由蓝色恰好变为无色，且半分钟内不褪色，说明滴定至终点．
故答案为：溶液由蓝色恰好变为无色，且半分钟内不褪色；
③VmLNa₂S₂O₃溶液含有Na₂S₂O₃物质的量为V?10^-3 L×cmol/L=0.1×50×10^-3 mol．则：
根据关系式：2ClO₂～5I₂～10Na₂S₂O₃，
            2          10
          n（ClO₂）    0.1×50×10^-3 mol
所以n（ClO₂）=

1

5

×0.1×50×10^-3 mol．
所以m（ClO₂）=

1

5

×0.1×50×10^-3 mol×67.5g/mol=0.0675g．
故答案为：0.0675g．
（4）以N₂、H₂为电极反应物，以HCl-NH₄Cl为电解质溶液制取新型燃料电池，N₂在正极发生还原反应生成NH₄⁺，电极反应式为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；
已知NH₃?H₂O在常温下的电离平衡常数为K，N₂-H₂燃料电池工作一段时间后溶液的pH=7，则溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，根据电荷守恒可得：c（Cl^-）=c（NH₄⁺）=0.1mol/L，氨水的电离平衡常数为：K=

c(NH +4)?c(OH -)

c(NH3?H2O)

=

0.1×1×10 -7

c(NH3?H2O)

，则溶液中氨水浓度为：c（NH₃?H₂O）=

1×10 -8

K

mol/L，原电池工作中生成铵根离子和氨水总的物质的量为：（0.05mol/L+

1×10 -8

K

mol/L）×1L=（0.05+

1×10 -8

K

）mol，氮气的化合价为0，氨水和铵根离子中氮元素的化合价为-3价，化合价降低了3价，则转移电子的物质的量为：（0.05+

1×10 -8

K

）mol×3=3×（0.05+

1×10 -8

K

）mol；
CuSO₄溶液存在的阴离子为：SO₄^2-、OH^-，OH^-离子的放电能力大于SO₄^2- 离子的放电能力，所以OH^-离子放电生成氧气；
溶液中存在的阳离子是Cu²⁺、H⁺，Cu²⁺离子的放电能力大于H⁺离子的放电能力，所以Cu²⁺离子放电生成Cu，溶液变成硫酸溶液；
电解硫酸铜的方程式为：2CuSO₄+2H₂O

电解  .

2Cu+O₂ ↑+2H₂SO₄．所以从溶液中析出的物质是氧气和铜，由元素守恒可知，则向溶液中加入氧化铜可恢复至电解前情况．
3克H₂的物质的量为1.5mol，失去电子的物质的量为3mol，能量总利用率为80%，电解转移的电子的物质的量为：3mol×80%=2.4mol；
1mol氧气反应得到4mol电子，若转移2.4mol电子，生成氧气的物质的量为：

2.4mol

4

=0.6mol，需要加入的氧化铜为0.6mol×2=1.2mol，质量为96g，
故答案为：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；3×（0.05+

1×10 -8

K

）mol；CuO；96g．

点评：本题考查阅读题目获取信息能力、氧化还原反应滴定及应用、离子检验、对工艺流程及装置理解分析和化学电源新型电池的工作原理及计算等，难度中等，要求学生要有扎实的实验基础知识和灵活应用信息解决问题的能力，注意基础知识的全面掌握．