Question

2．（1）某課外活動小組同學(xué)用如圖1裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試回答下列問題：
①若開關(guān)K與a連接，則鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕中的吸氧腐蝕，石墨電極上的電極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

②若開關(guān)K與b連接，則電解反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．
（2）該小組同學(xué)設(shè)想，如果模擬工業(yè)上離子交換膜法制燒堿的方法，用如2圖所示裝置電解硫酸鈉溶液來制取氫氣、氧氣、硫酸和氫氧化鈉，無論從節(jié)省能源還是從提高原料的利用率而言都更加符合綠色化學(xué)理念．
①該電解槽的陽極反應(yīng)式為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．此時通過陰離子交換膜的離子數(shù)小于（選填“大于”、“小于”或“等于”）通過陽離子交換膜的離子數(shù)．
②通電開始后，陰極附近溶液pH增大（選填“增大”、“不變”或“減小”）．
③若將制得的氫氣、氧氣和氫氧化鈉溶液組合為氫氧燃料電池，則電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；已知H₂的燃燒熱為285.8KJ/mol，則該燃料電池工作產(chǎn)生36g 液態(tài)H₂O時，理論上有571.6．kJ的能量轉(zhuǎn)化為電能．

Answer 1

分析 （1）①若開始時開關(guān)K與a連接，則形成原電池反應(yīng)，為鐵的吸氧腐蝕；
②若開始時開關(guān)K與b連接，形成電解池裝置，石墨為陽極，發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，能使?jié)駶櫟腒I淀粉試紙變藍(lán)，鐵為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣和氫氧化鈉，以此解答；
（2）①該電解槽的陽極上水失電子生成氧氣和氫離子；陰離子交換膜的離子是氫氧根離子、通過陽離子交換膜的離子是鈉離子，根據(jù)電荷守恒判斷；
②通電開始后，陰極上水得電子生成氫氣和氫氧根離子，導(dǎo)致溶液堿性增強(qiáng)；
③氫氧燃料堿性電池中，電池負(fù)極上氫氣失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成水；
H₂的燃燒熱為285.8kJ•mol^-1，n（H₂O）=$\frac{36g}{18g/mol}$=2mol，根據(jù)氫原子守恒知，生成2mol水需要2mol氫氣，據(jù)此計算反應(yīng)熱．

解答 解：（1）①開始時開關(guān)K與a連接，是原電池，鐵為負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子生成亞鐵離子，電極方程式為Fe-2e^-=Fe²⁺，石墨電極A極上氧氣得電子被還原，電極方程式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，為鐵的吸氧腐蝕；
故答案為：吸氧；O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②開關(guān)K與b連接，裝置為電解池，鐵為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，氫離子得到電子生成氫氣，電解飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氫氣和氯氣，總反應(yīng)式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，
故答案為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
（2）①電解時，陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液中的氫氧根離子的放電能力大于硫酸根離子的放電能力，所以陽極上氫氧根離子失電子生成水和氧氣4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；陽極氫氧根離子放電，因此硫酸根離子向陽極移動，陰極氫離子放電，因此鈉離子向陰極移動，所以通過相同電量時，通過陰離子交換膜的離子數(shù)小于通過陽離子交換膜的離子數(shù)，
故答案為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；小于；
②通電開始后，陰極上氫離子放電生成氫氣，氫離子來自于水，所以促進(jìn)水的電離，導(dǎo)致溶液中氫氧根離子的濃度大于氫離子的濃度，所以溶液的pH值增大．
故答案為：增大；
③氫氣、氧氣和氫氧化鈉溶液組合為氫氧燃料電池，負(fù)極上氫氣失去電子和氫氧根離子反應(yīng)生成水，電極反應(yīng)式為H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，H₂的燃燒熱為285.8kJ/mol，則2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol，該燃料電池工作產(chǎn)生36g H₂O，n（H₂O）=$\frac{36g}{18g/mol}$=2mol，由燃燒的熱方程式可知，生成2molH₂O放出571.6kJ的熱量，即理論上有571.6kJ的能量轉(zhuǎn)化為電能，
故答案為：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；571.6．

點(diǎn)評 本題考查電解原理及金屬腐蝕與防護(hù)，為高頻考點(diǎn)，明確各個電極上發(fā)生的反應(yīng)是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫，要結(jié)合電解質(zhì)溶液酸堿性書寫，易錯點(diǎn)是（2）①判斷通過交換膜陰陽離子個數(shù)相對大小，要結(jié)合電荷守恒判斷，題目難度中等．