Question

17．二氧化氯（ClO₂）為一種黃綠色氣體，是國際上公認(rèn)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）①如圖裝置用石墨作電極，在一定條件下電解飽和食鹽水制取ClO₂．寫出陽極產(chǎn)生ClO₂的電極反應(yīng)式：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺．
②電解一段時間，當(dāng)陰極產(chǎn)生的氣體體積為112mL（標(biāo)準(zhǔn)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0.01mol．
（2）為提高甲醇燃料的利用率，科學(xué)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?xì)怏w，電解質(zhì)是摻入了Y₂O₃的ZrO₂晶體，在高溫下它能傳導(dǎo)O^2-離子．電池工作時正極反應(yīng)為O₂+4e^-=2O^2-．
（3）若以該電池為電源，用石墨做電極電解100mL含有如下離子的溶液．

離子	Cu2+	H+	Cl-	SO42-
c/mol•L-1	1	4	4	1

電解一段時間后，當(dāng)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0.1mol．

Answer 1

分析 （1）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，由題意可知，氯離子放電生成ClO₂，由元素守恒可知，有水參加反應(yīng)，結(jié)合電荷守恒可知，同時生成氫離子；
②在陰極發(fā)生反應(yīng)：2H⁺+2e^-=H₂↑，根據(jù)n=$\frac{V}{{V}_{m}}$計(jì)算氫氣的物質(zhì)的量，通過陽離子交換膜的陽離子為+1價離子，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算陽離子的物質(zhì)的量；
（2）根據(jù)原電池原理，正極O₂得到電子生成負(fù)極O^2-；
（3）依據(jù)電解原理和溶液中離子放電順序，結(jié)合電子守恒和電極反應(yīng)計(jì)算得到．

解答 解：（1）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，由題意可知，氯離子放電生成ClO₂，由元素守恒可知，有水參加反應(yīng)，結(jié)合電荷守恒可知，同時生成氫離子，陽極電極反應(yīng)式為：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺，
故答案為：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺；
②在陰極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑，氫氣的物質(zhì)的量為$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，通過陽離子交換膜的陽離子為+1價離子，故交換膜的陽離子的物質(zhì)的量為0.005mol×2=0.01mol，故答案為：0.01；
（2）燃料電池，電池的一個電極通 入空氣，另一個電極通入甲醇?xì)怏w，電解質(zhì)是摻入了 Y₂O₃的ZrO₂晶體，在高溫下它能傳導(dǎo)O^2-離子，根據(jù)原電池原理，正極O₂得到電子生成負(fù)極O^2-：O₂+4e^-=2O^2-，故答案為：O₂+4e^-=2O^2-；
（3）電解一段時間后，當(dāng)兩極收集到相同體積（相詞條件）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），100ml溶液中含有c（Cu²⁺）=1mol/L，c（H⁺）=4mol/L，c（Cl^-）=4mol/L，c（SO₄^2-）=1mol/L；
陽極氯氣和陰極氫氣相同，設(shè)陽極生成的氧氣物質(zhì)的量為x，陰極上也應(yīng)生成氫氣物質(zhì)的量x
陽極電極反應(yīng)為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，4OH^--4e-=2H₂O+O₂↑，
             0.4mol  0.4mol  0.2mol         4x       x
陰極電極反應(yīng)為：Cu²⁺+2e^-=Cu，
            0.1mol  0.2mol 0.1mol
   2H⁺+2e^-=H₂↑；  2H⁺+2e^-=H₂↑；
0.4mol 0.4mol       0.2mol 2x   x
依據(jù)電子守恒0.4+4x=0.2+0.4+2x
x=0.1mol
陽極上收集到氧氣的物質(zhì)的量0.1mol；
故答案為：0.1．

點(diǎn)評 本題考查了原電池和電解池原理的分析應(yīng)用，氧化還原反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，掌握原理是解題關(guān)鍵，題目難度中等．