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第6章化學反應(yīng)與能量（4） 1．某實驗小組同學對電化學原理進行了一系列探究活動。 (1)如圖為某實驗小組依據(jù)氧化還原反應(yīng)：__Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu__(用離子方程式表示)，設(shè)計的原電池裝置，反應(yīng)前，兩電極質(zhì)量相等，一段時間后，兩電極質(zhì)量相差12 g，導線中通過__0.2__mol電子。 (2)其他條件不變，若將CuCl2溶液換為NH4Cl溶液，石墨電極反應(yīng)式為__2H＋＋2e－===H2↑__，這是由于NH4Cl溶液顯__酸性__(填“酸性”“堿性”或“中性”)，用離子方程式表示溶液顯此性的原因：__NH＋H2ONH3H2O＋H＋__；用吸管吸出鐵片附近溶液少許置于試管中，向其中滴加少量新制飽和氯水，寫出發(fā)生反應(yīng)的離子方程式：__2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－__，然后滴加幾滴硫氰化鉀溶液，溶液變紅，繼續(xù)滴加過量新制飽和氯水，顏色褪去，同學們對此做了多種假設(shè)，某同學的假設(shè)是：“溶液中的＋3價鐵被氧化為更高的價態(tài)?！比绻?價鐵被氧化為FeO，試寫出該反應(yīng)的離子方程式：__2Fe3＋＋3Cl2＋8H2O===2FeO＋6Cl－＋16H＋__。 (3)其他條件不變，若將鹽橋換成銅導線與石墨相連成n型，如圖所示。一段時間后，在裝置甲中銅絲附近滴加酚酞試液，現(xiàn)象是__溶液變紅__，電極反應(yīng)式為__O2＋2H2O＋4e－===4OH－__；裝置乙中石墨(1)為__陰__極(填“正”“負”“陰”或“陽”)，裝置乙中與銅絲相連的石墨電極上發(fā)生的反應(yīng)式為__2Cl－－2e－===Cl2↑__，產(chǎn)物常用__濕潤的淀粉－KI試紙__檢驗，反應(yīng)的離子方程式為__Cl2＋2I－===2Cl－＋I2__。 解析　(1)設(shè)導線中通過的電子的物質(zhì)的量為x mol，則負極減少28x g，正極增重32x g,28x＋32x＝12，x＝0.2。(2)NH4Cl水解溶液顯酸性，正極上H＋得電子，負極上Fe失電子生成Fe2＋。Cl2將Fe2＋氧化為Fe3＋，Cl2過量時，發(fā)生的反應(yīng)為2Fe3＋＋3Cl2＋8H2O===2FeO＋6Cl－＋16H＋。(3)將鹽橋改為銅絲和石墨后裝置甲成為原電池，裝置乙成為電解池。裝置甲中Fe為負極，Cu為正極，正極電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－===4OH－，滴加酚酞后變紅色。 裝置乙中石墨(1)為陰極，與銅絲相連的電極為陽極，電極反應(yīng)式為2Cl－－2e－===Cl2↑，Cl2可用濕潤的淀粉－KI試紙檢驗。 2．鋰離子電池的應(yīng)用很廣，其正極材料可再生利用。某鋰離子電池正極材料有鈷酸鋰(LiCoO2)、導電劑乙炔黑和鋁箔等。充電時，該鋰離子電池負極發(fā)生的反應(yīng)為6C＋xLi＋＋xe－===LixC6?，F(xiàn)欲利用以下工藝流程回收正極材料中的某些金屬資源(部分條件未給出)。 回答下列問題： (1)LiCoO2中，Co元素的化合價為__＋3__。 (2)寫出“正極堿浸”中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為__2Al＋2OH－＋6H2O===2Al(OH)＋3H2↑__。 (3)“酸浸”一般在80 ℃下進行，寫出該步驟中發(fā)生的所有氧化還原反應(yīng)的化學方程式：__2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O、2H2O22H2O＋O2↑__； 可用鹽酸代替H2SO4和H2O2的混合液，但缺點是__有氯氣生成，污染環(huán)境__。 (4)寫出“沉鈷”過程中發(fā)生反應(yīng)的化學方程式：__CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑__。 (5)充放電過程中發(fā)生LiCoO2與Li1－xCoO2之間的轉(zhuǎn)化，寫出放電時電池的反應(yīng)方程式：__Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C__。 (6)上述工藝中“放電處理”有利于鋰在正極的回收，其原因是__Li＋從負極中脫出，經(jīng)電解質(zhì)向正極移動并進入正極材料中__。在整個回收工藝中，可回收的金屬化合物有__Al(OH)3、CoCO3、Li2SO4__(填化學式)。 解析　(1)Li和O的化合價分別是＋1和－2，所以該化合物中Co的化合價是＋(22－1)＝＋3。(2)正極材料中的金屬鋁能和氫氧化鈉溶液反應(yīng)，反應(yīng)的離子方程式是2Al＋2OH－＋6H2O===2Al(OH)＋3H2↑。(3)根據(jù)流程可知，有CoSO4生成，這說明在反應(yīng)中LiCoO2是氧化劑，雙氧水是還原劑，因此該反應(yīng)的化學方程式是2LiCoO2＋3H2SO4＋H2O2Li2SO4＋2CoSO4＋O2↑＋4H2O；在反應(yīng)中雙氧水是過量的，則過量的雙氧水會發(fā)生自身的氧化還原反應(yīng)，即2H2O22H2O＋O2↑；如果用鹽酸代替，則氯化氫會被氧化生成氯氣，會造成環(huán)境污染。(4)根據(jù)原子守恒可知，在反應(yīng)中還有硫酸銨、CO2和H2O生成，所以反應(yīng)的化學方程式是CoSO4＋2NH4HCO3===CoCO3↓＋(NH4)2SO4＋H2O＋CO2↑。(5)根據(jù)充電時該鋰離子電池負極發(fā)生的反應(yīng)6C＋xLi＋＋xe－===LixC6可知，放電時LixC6在負極失去電子，則Li1－xCoO2在正極得到電子，所以放電時電池反應(yīng)式是Li1－xCoO2＋LixC6===LiCoO2＋6C。 3．熔融鹽燃料電池具有高的發(fā)電效率，因而受到重視。某燃料電池以熔融的K2CO3(其中不含O2－和HCO)為電解質(zhì)，以丁烷為燃料，以空氣為氧化劑，以具有催化作用和導電性能的稀土金屬材料為電極。該燃料電池負極電極反應(yīng)式為2C4H10＋26CO－52e－===34CO2＋10H2O。 試回答下列問題： (1)該燃料電池的化學反應(yīng)方程式為__2C4H10＋13O2===8CO2＋10H2O__。 (2)正極電極反應(yīng)式為__O2＋2CO2＋4e－===2CO__。 (3)為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此，必須在通入的空氣中加入一種物質(zhì)，加入的物質(zhì)是__CO2__，它來自__負極生成的產(chǎn)物__。 (4)某學生想用該燃料電池和如圖所示裝置來電解飽和食鹽水。 ①寫出反應(yīng)的離子方程式：__2Cl－＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2OH－__。 ②將濕潤的淀粉－KI試紙放在該裝置附近，發(fā)現(xiàn)試紙變藍，待一段時間后又發(fā)現(xiàn)藍色褪去，這是因為過量的Cl2將生成的I2氧化。若反應(yīng)的Cl2和I2的物質(zhì)的量之比為5∶1，且生成兩種酸。該反應(yīng)的化學方程式為__5Cl2＋I2＋6H2O===10HCl＋2HIO3__。 ③若電解后得到200 mL 3.25 mol/L NaOH溶液，則消耗C4H10的體積在標準狀況下為__560__mL。 解析　(2)用總化學方程式減去負極電極反應(yīng)式即得正極電極反應(yīng)式。(3)因為負極消耗CO而生成CO2，所以要保持穩(wěn)定，正極需要生成CO，所需CO2可以由負極生成的產(chǎn)物提供。(4)根據(jù)串聯(lián)電路中各電極得失電子數(shù)相等，電解后得到NaOH的物質(zhì)的量為3.25 mol/L0.2 L＝0.65 mol，即電解池陰極有0.65 mol H＋得到了0.65 mol電子，所以燃料電池的負極消耗C4H10的體積為(0.65 mol26)22.4 L/mol＝0.56 L＝560 mL。 4．如圖所示的裝置，X、Y都是惰性電極。將電源接通后，向裝置甲中滴入酚酞溶液，在Fe極附近顯紅色。試回答下列問題： (1)在電源中，B電極為__負__極(填電極名稱，下同)；裝置丙中Y電極為__陰__極。 (2)在裝置甲中，石墨(C)電極上發(fā)生__氧化__(填“氧化”或“還原”)反應(yīng)；裝置甲中總的化學方程式是__2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH__。 (3)裝置丙在通電一段時間后，X電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是__2Cl－－2e－===Cl2↑__。 (4)如果裝置乙中精銅電極的質(zhì)量增加了0.64 g，請問裝置甲中，鐵電極上產(chǎn)生的氣體在標準狀況下為__0.224__L。 解析　(1)電源接通后，向裝置甲中滴入酚酞溶液，在Fe極附近顯紅色，說明在Fe電極附近的水溶液顯堿性，則在該電極上是H＋放電，所以Fe為陰極，與直流電源的負極相連。因此在電源中，B電極為負極，A電極為正極。在裝置丙中Y電極為陰極。(2)在裝置甲中，石墨(C)電極為電解池的陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)。由于在NaCl溶液中放電能力：Cl－＞OH－，所以在C電極上發(fā)生氧化反應(yīng)：2Cl－－2e－===Cl2↑。裝置甲中總的化學方程式是2NaCl＋2H2OCl2↑＋H2↑＋2NaOH。(4)如果裝置乙中精銅電極的質(zhì)量增加了0.64 g，n(Cu)＝0.01 mol，則n(e－)＝0.02 mol。由于在整個閉合回路中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等，所以鐵電極上產(chǎn)生的氫氣為0.01 mol，在標準狀況下為0.224 L。 5．(1)二氧化氯(ClO2)為一種黃綠色氣體，是國際上公認的高效、廣譜、快速、安全的殺菌消毒劑。目前已開發(fā)出用電解法制取ClO2的新工藝。 ①圖中用石墨作電極，在一定條件下電解飽和食鹽水制取ClO2。則陽極產(chǎn)生ClO2的電極反應(yīng)式為__Cl－－5e－＋2H2O===ClO2↑＋4H＋__。 ②電解一段時間，當陰極產(chǎn)生的氣體體積為112 mL(標準狀況)時，停止電解。通過陽離子交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為__0.01__mol；用平衡移動原理解釋陰極區(qū)pH增大的原因：__在陰極發(fā)生反應(yīng)：2H＋＋2e－===H2↑，H＋濃度減小，使H2OH＋＋OH－的平衡向右移動，OH－濃度增大，pH增大__。 (2)為提高甲醇燃料的利用率，科學家發(fā)明了一種燃料電池，電池的一個電極通入空氣，另一個電極通入甲醇氣體，電解質(zhì)是摻入了Y2O3的ZrO2晶體，在高溫下它能傳導O2－。電池工作時正極反應(yīng)式為__O2＋4e－===2O2－__。 若以該電池為電源，用石墨作電極電解100 mL含有以下離子的溶液。 離子 Cu2＋ H＋ Cl－ SO c/(molL－1) 1 4 4 1 電解一段時間后，當兩極收集到相同體積(相同條件)的氣體時(忽略溶液體積的變化及電極產(chǎn)物可能存在的溶解現(xiàn)象)，陽極上收集到氧氣的物質(zhì)的量為__0.1__mol。 解析　(1)①陽極Cl－失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。②水電離產(chǎn)生的H＋在陰極上放電產(chǎn)生H2，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量n(e－)＝2n(H2)＝2＝0.01 mol，則在內(nèi)電路中移動的電荷為0.01 mol，每個Na＋帶一個單位的正電荷，則通過的Na＋為0.01 mol。(2)電池工作時，正極上O2得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成O2－。結(jié)合離子濃度可知電解過程可分為三個階段：先是電解CuCl2、然后電解HCl、最后電解水，由此可見陰極首先析出0.1 mol Cu(同時陽極析出0.1 mol Cl2)，然后析出H2；陽極上先是析出0.2 mol Cl2(此時陰極已析出0.1 mol H2)，再析出O2，設(shè)陽極析出x mol O2時兩極析出氣體的體積相等，由題意可得0.2＋x＝0.1＋2x，解得x＝0.1。