Question

4．將質(zhì)量相等的鐵片和銅片用導(dǎo)線相連浸入500mL硫酸銅溶液中構(gòu)成如圖1的裝置．

（1）銅片上的電極反應(yīng)式為Cu²⁺+2e^-=Cu，銅片周圍溶液會(huì)出現(xiàn)顏色變淺的現(xiàn)象．
（2）若按照上述裝置反應(yīng)一段時(shí)間后測(cè)得鐵片減少了2.4g，同時(shí)銅片增加了3.2g，則這段時(shí)間內(nèi)該裝置消耗的化學(xué)能有50%轉(zhuǎn)化為電能．
（3）若將該裝置改為如圖2所示的裝置也能達(dá)到和原裝置相同的作用，同時(shí)能保證停止使用該裝置時(shí)反應(yīng)物不損耗，KCl溶液起溝通兩邊溶液形成閉合回路的作用，則硫酸銅溶液應(yīng)該注入右（填“左側(cè)”、“右側(cè)”或“兩側(cè)”）燒杯中，若2min內(nèi)鐵片減少了5.6g，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mo1/min．
（4）若按照（3）中裝置反應(yīng)一段時(shí)間后測(cè)得鐵片和銅片之間的質(zhì)量差為0.6g，則導(dǎo)線中流過的電子為0.01mol．

Answer 1

分析 （1）裝置是否有外加電源可以判斷所屬的類別，根據(jù)電池的工作原理來分析電極電極反應(yīng)以及現(xiàn)象；
（2）鐵電極的電子一部分傳給銅電極，發(fā)生原電池反應(yīng)．同時(shí)鐵電極上也發(fā)生置換反應(yīng)．電極反應(yīng)：Fe-2e^-→Fe²⁺，Cu²⁺+2e^-=Cu，銅電極增加3.2g，即0.05mol，同時(shí)鐵電極原電池反應(yīng)產(chǎn)生0.05molFe²⁺，即鐵電極減少56g/mol×0.05
mol=2.8g，但是鐵片只減少了2.4g，因?yàn)殍F片有一部分直接發(fā)生置換反應(yīng)，有銅生成，所以質(zhì)量增加了，這部分鐵的化學(xué)能沒有轉(zhuǎn)化為電能，所以有2.8g-2.4g=0.4g的質(zhì)量差，設(shè)有xmol鐵直接參與置換反應(yīng)，
Cu²⁺+Fe=Cu+Fe²⁺△m
       1mol 64         8
         x               0.4
計(jì)算得x=0.05mol，即直接發(fā)生置換反應(yīng)的鐵為0.05mol，參與原電池反應(yīng)的鐵也是0.05mol；
（3）鹽橋原電池中，金屬電極插入含有該電極金屬陽離子的鹽溶液中，所以硫酸銅溶液應(yīng)該注入右側(cè)燒杯中，若2min內(nèi)鐵片減少了5.6g，該段時(shí)間內(nèi)用亞鐵離子表示的平均反應(yīng)速率v=$\frac{\frac{\frac{5.6g}{56g/mol}}{0.5L}}{2min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mol/min；
（4）根據(jù)電極反應(yīng)式來計(jì)算．

解答 解：（1）裝置沒有外加電源，屬于原電池，活潑金屬鋅做負(fù)極，本身失電子，F(xiàn)e-2e^-=Fe²⁺，正極上是銅離子得電子，電極反應(yīng)式：Cu²⁺+2e^-=Cu，所以銅離子在該極附近溶度減小，溶液顏色變淺，故答案為：Cu²⁺+2e^-=Cu；顏色變淺；
（2）鐵電極的電子一部分傳給銅電極，發(fā)生原電池反應(yīng)．同時(shí)鐵電極上也發(fā)生置換反應(yīng)．電極反應(yīng)：Fe-2e^-→Fe²⁺，Cu²⁺+2e^-=Cu，銅電極增加3.2g，即0.05mol，同時(shí)鐵電極原電池反應(yīng)產(chǎn)生0.05molFe²⁺，即鐵電極減少56g/mol×0.05
mol=2.8g，但是鐵片只減少了2.4g，因?yàn)殍F片有一部分直接發(fā)生置換反應(yīng)，有銅生成，所以質(zhì)量增加了，這部分鐵的化學(xué)能沒有轉(zhuǎn)化為電能，所以有2.8g-2.4g=0.4g的質(zhì)量差，設(shè)有xmol鐵直接參與置換反應(yīng)，
Cu²⁺+Fe=Cu+Fe²⁺△m
       1mol 64         8
         x               0.4
計(jì)算得x=0.05mol，即直接發(fā)生置換反應(yīng)的鐵為0.05mol，參與原電池反應(yīng)的鐵也是0.05mol，所以該裝置消耗化學(xué)能有50%轉(zhuǎn)化為電能，故答案為：50；
（3）鹽橋原電池中，金屬電極插入含有該電極金屬陽離子的鹽溶液中，所以硫酸銅溶液應(yīng)該注入右側(cè)燒杯中，若2min內(nèi)鐵片減少了5.6g，該段時(shí)間內(nèi)用亞鐵離子表示的平均反應(yīng)速率v=$\frac{\frac{\frac{5.6g}{56g/mol}}{0.5L}}{2min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mol/min，故答案為：右；0.1；
（4）鐵電極發(fā)生的反應(yīng)為：Fe-2e^-→Fe²⁺，正極上是銅離子得電子，電極反應(yīng)為：Cu²⁺+2e^-=Cu，設(shè)轉(zhuǎn)移電子為n，則鐵質(zhì)量減少28n，Cu電極質(zhì)量增加32n，鐵片和銅片之間的質(zhì)量差為28n+32n=60n=0.6g，所以n=0.01，故答案為：0.01．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生原電池的工作原理，學(xué)生要學(xué)會(huì)應(yīng)用差量法在電極反應(yīng)計(jì)算中的運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，難度較大．