Question

18．鉛蓄電池因電壓穩(wěn)定、使用方便、價格低廉，所以是生產(chǎn)、生活中最普通的二次電源．其電極材料分別是Pb和PbO₂，電解液為稀硫酸．該電池在放電過程產(chǎn)生的PbSO₄是難溶性的電解質．隨著鉛蓄電池的廣泛應用，回收利用鉛資源成為重要課題．請回答下列問題：
（1）電池充電時陽極反應式為PbSO₄+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-．
（2）維持電流強度為0.5A，電池工作10min理論上消耗Pb的質量為0.32g．（已知F=96500C/mol）
（3）回收鉛蓄電池的電極填充物-鉛膏（含PbO、PbO₂、PbSO₄）制備電絕緣材料三鹽基硫酸鉛（3PbO•PbSO₄•H₂O），其實驗流程如下：

①PbO₂轉化為PbCO₃的離子方程式是（請配平此離子方程式）：
1PbO₂+1SO₃^2-+1CO₃^2-+H₂O=1PbCO₃+1SO₄^2-+2OH^-
②物質X可以循環(huán)利用，該物質是HNO₃；從濾液A可提取出一種含結晶水的鈉鹽副產(chǎn)品，其主要實驗步驟依次為蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾、洗滌、干燥．最后一次過濾之后需要洗滌，檢驗三鹽基硫酸鉛是否洗凈的方法是取最后一次洗滌液，加入足量稀鹽酸，再加入氯化鋇溶液，觀察是否產(chǎn)生白色沉淀，若無沉淀則說明已經(jīng)洗滌干凈．
③流程中不直接利用H₂SO₄溶液與PbO、PbCO₃反應制取PbSO₄，原因可能是PbSO₄不溶于水，覆蓋在固體表面阻礙反應的進一步發(fā)生．
④若取鉛膏的質量為78g，步驟I中PbO₂和PbSO₄全部轉化為PbCO₃，步驟Ⅱ中共收集到5.6LCO₂（標準狀態(tài)），步驟Ⅲ中獲得90.9g PbSO₄，則鉛膏中PbO的質量分數(shù)為14.3%（假設流程中原料無損失）．

Answer 1

分析 （1）鉛蓄電池充電時，陽極上失電子發(fā)生氧化反應；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作10分鐘，則電量為0.5A×600s=300C，轉移電子的物質的量=$\frac{300C}{96500C/mol}$，根據(jù)Pb和轉移電子之間的關系式計算消耗Pb的質量；
（3）向鉛膏漿液中加入Na₂SO₃溶液的目的是將PbO₂還原PbO，發(fā)生的反應為Na₂SO₃+PbO₂=PbO+Na₂SO₄，加Na₂CO₃溶液是將PbSO₄轉化成PbCO₃，所以濾液Ⅰ主要是Na₂SO₄溶液；PbO和PbCO₃在硝酸的作用下轉化成Pb（NO₃）₂，Pb（NO₃）₂中加稀H₂SO₄轉化成PbSO₄和硝酸，因此X為HNO₃，可循環(huán)利用；如果變質說明變成BaSO₄，可以通過檢驗是否生成SO₄^2-；
①該反應中S元素化合價由+4價變?yōu)?6價、Pb元素化合價由+4價變?yōu)?2價，轉移電子數(shù)為2，結合電荷守恒和原子守恒配平方程式；
②物質X可以循環(huán)利用，該物質是硝酸；從溶液中獲取晶體的操作步驟是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾等；最后一次過濾之后需要洗滌，檢驗三鹽基硫酸鉛是否洗凈實際上是檢驗硫酸根離子；
③PbSO₄難溶于水，能阻止進一步反應；
④根據(jù)C元素守恒計算碳酸鉛的物質的量，根據(jù)Pb元素守恒，計算PbO和碳酸鉛的物質的量，據(jù)此計算PbO的物質的量，進而計算其質量分數(shù)．

解答 解：（1）鉛蓄電池充電時，陽極上失電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為PbSO₄+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-，故答案為：PbSO₄+2H₂O-2e^-=PbO₂+4H⁺+SO₄^2-；
（2）持電流強度為0.5A，電池工作10分鐘，則電量為0.5A×600s=300C，轉移電子的物質的量=$\frac{300C}{96500C/mol}$，消耗Pb的質量=$\frac{300C}{96500C/mol}$×$\frac{1}{2}$×207g/mol=0.32g，故答案為：0.32；
（3）向鉛膏漿液中加入Na₂SO₃溶液的目的是將PbO₂還原PbO，發(fā)生的反應為Na₂SO₃+PbO₂=PbO+Na₂SO₄，加Na₂CO₃溶液是將PbSO₄轉化成PbCO₃，所以濾液Ⅰ主要是Na₂SO₄溶液；PbO和PbCO₃在硝酸的作用下轉化成Pb（NO₃）₂，Pb（NO₃）₂中加稀H₂SO₄轉化成PbSO₄和硝酸，因此X為HNO₃，可循環(huán)利用；如果變質說明變成BaSO₄，可以通過檢驗是否生成SO₄^2-；
①該反應中S元素化合價由+4價變?yōu)?6價、Pb元素化合價由+4價變?yōu)?2價，轉移電子數(shù)為2，結合電荷守恒和原子守恒配平方程式為PbO₂+SO₃^2-+CO₃^2-+H₂O=PbCO₃+SO₄^2-+2OH^-，故答案為：1；1；1；1；H₂O；1；1；2；
②物質X可以循環(huán)利用，該物質是HNO₃；從溶液中獲取晶體的操作步驟是蒸發(fā)濃縮、冷卻結晶、過濾等；最后一次過濾之后需要洗滌，檢驗三鹽基硫酸鉛是否洗凈實際上是檢驗硫酸根離子，硫酸根離子檢驗方法為：取最后一次洗滌液，加入足量稀鹽酸，再加入氯化鋇溶液，觀察是否產(chǎn)生白色沉淀，若無沉淀則說明已經(jīng)洗滌干凈，
故答案為：HNO₃；蒸發(fā)濃縮；冷卻結晶；取最后一次洗滌液，加入足量稀鹽酸，再加入氯化鋇溶液，觀察是否產(chǎn)生白色沉淀，若無沉淀則說明已經(jīng)洗滌干凈；
③生成的硫酸鉛難溶于水，覆蓋在固體PbO、PbCO₃的表面，阻礙反應的進一步發(fā)生，故答案為：PbSO₄不溶于水，覆蓋在固體表面阻礙反應的進一步發(fā)生；
④PbO和碳酸鉛中加入硝酸，可以得到硝酸鉛溶液，同時放出二氧化碳氣體，共收集到5.6L即0.25molCO₂（標準狀態(tài)），根據(jù)碳元素守恒，所以含有碳酸鉛是0.25mol，獲得90.9g即0.3molPbSO₄，根據(jù)Pb守恒，這些Pb都來自PbO和碳酸鉛，所以PbO的物質的量是0.3mol-0.25mol=0.05mol，PbO的質量分數(shù)為$\frac{233g/mol×0.05mol}{78g}$×100%=14.3%．
故答案為：14.3%．

點評 本題考查物質制備及常見電源新型電池，為高頻考點，涉及物質分離提純、化學方程式的計算、離子檢驗、氧化還原反應方程式配平等知識點，明確流程圖中發(fā)生的反應及基本操作方法是解本題關鍵，題目難度中等．