Question

2．目前市场上碱锰电池不能满足需大电流大容量用电的数码相机、摄影机等电子产品的需要，锂离子电池因成本在此方面不具很强的竞争力．而高铁电池能量密度大、体积小、重量轻、寿命长、无污染．功率是民用电池的10～15倍，放电电流是普通电池的3～10倍，性价比极高．已知，以 Zn和K₂FeO₄为电极材料制作的高铁电池放电时，电池内发生的总反应为：□Zn+□K₂FeO₄=□ZnO+□Fe₂O₃+□K₂ZnO₂
（1）配平上面的化学方程式3Zn+2K₂FeO₄=ZnO+Fe₂O₃+2K₂ZnO₂．
（2）该电池的负极电极反应式为3Zn-6e^-+10OH^-=ZnO+2ZnO₂^2-+5H₂O．放电时负极附近溶液的pH变化是减小（填“增大”、“减小”、“不变”）．
（3）已知铁是26号元素，则1mol FeO₄^2-中含有电子的物质的量为60mol，Na₂FeO₄是否具有还原性有，原因是K₂FeO₄中O元素为-2价，化合价可以升高，表现还原性．
（4）制备高铁酸钾可以将Fe（OH）₃在碱性条件下与KClO溶液反应，若将该反应设计为原电池，则此电池的负极反应方程式为5OH^-+Fe（OH）₃-3e^-=FeO₄^2-+4H₂O．
（5）向1L 1mol/L的K₂FeO₄中加入足量稀H₂SO₄酸化，可以产生O₂和Fe³⁺，该反应的离子方程式为4FeO₄^2-+20H⁺=4Fe³⁺+3O₂↑+10H₂O．向酸化后溶液中加入一定量的金属铜，使Fe³⁺和Cu²⁺浓度相等，若此时溶液密度为1.25g/mL，体积仍为1L，则此时溶液中Cu元素的质量分数约为1.71%．（精确到0.01）

Answer 1

分析 （1）根据氧化还原反应得失电子数目相等，可判断出Zn和K₂FeO₄的化学计量数分别为3和2，再根据原子守恒配平方程式；
（2）Zn为电池负极材料，失电子发生氧化反应生成ZnO和ZnO₂^-，用OH^-浓度的变化分析电极附近溶液pH；
（3）1mol FeO₄^2-中含有e^-数等于26+8×4+2=60mol，元素化合价可以升高就能表现还原性；
（4）负极发生氧化反应，Fe（OH）₃中+3价Fe被氧化为FeO₄^2-，根据电荷守恒配平电极反应式；
（5）-2价O被氧化为O₂，+6价Fe元素被还原为Fe³⁺，根据氧化还原反应配平离子方程式；Cu加入反应后的溶液发生反应，2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺，假设n（Cu²⁺）=x mol，则反应了的n（Fe³⁺）=2x mol，根据题意列式解x，最后计算质量分数．

解答 解：（1）Zn从0价到+2价升高2价，Fe从+6价到+3价下降了3价，可判断出Zn和K₂FeO₄的化学计量数分别为3和2，同时根据K和Fe原子个数守恒得出产物Fe₂O₃和K₂ZnO₂的化学计量数分别为1和2，则ZnO的计量数为2，故答案为：3Zn+2K₂FeO₄=ZnO+Fe₂O₃+2K₂ZnO₂；
（2）Zn为电池负极材料，电极反应式为3Zn-6e^-+10 OH^-=ZnO+2ZnO₂^2-+5H₂O，消耗了溶液中OH^-，氢氧根浓度减小，所以该电极附近溶液pH将减小，
故答案：3Zn-6e^-+10OH^-=ZnO+2ZnO₂^2-+5H₂O； 减小；
（3）1mol FeO₄^2-中含有e^-数等于26+8×4+2=60mol，Na₂FeO₄中-2价O化合价可以升高，能表现还原性，
故答案为：60；有；K₂FeO₄中O元素为-2价，化合价可以升高，表现还原性；
（4）负极发生氧化反应，Fe（OH）₃中+3价Fe被氧化为FeO₄^2-，碱性环境用OH^-保证电荷守恒，用水保证H和O守恒配平得到负极反应式：5OH^-+Fe（OH）₃-3e^-=FeO₄^2-+4H₂O，故答案为：5OH^-+Fe（OH）₃-3e^-=FeO₄^2-+4H₂O；
（5）-2价O被氧化为O₂，+6价Fe元素被还原为Fe³⁺，用H⁺保证电荷守恒，用H₂O保证H和O守恒，则离子方程式为：4FeO₄^2-+20H⁺=4Fe³⁺+3O₂↑+10H₂O，
Cu加入反应后的溶液发生反应，2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺，假设n（Cu²⁺）=x mol，则反应了的n（Fe³⁺）=2x mol，根据题意列等式得：1-2x=x，则x=1/3mol，故反应后溶液中Cu元素的质量分数ω=$\frac{m（Cu）}{m（溶液）}$×100%=$\frac{64g/mol×\frac{1}{3}mol}{1.25g/mL×1000mL}$=1.71%，故答案为：1.71%．

点评 本题考查氧化还原反应，原电池的工作原理的应用，电极反应，电极产物的判断等，混合物质量分数计算，难度中等，要求学生要有扎实的基础知识和灵活运用知识解决问题的能力，注意基础知识的全面掌握．