Question

ClO₂是一種黃綠色氣體，易溶于水．實驗室以NH₄Cl、鹽酸、NaClO₂（亞氯酸鈉）、為原料制備ClO₂的流程如圖：

（1）寫出電解時發(fā)生反應的化學方程式：

 

．
（2）除去ClO₂中的NH₃可選用的試劑是

 

（填寫字母）．
A．碳酸鈉溶液    B．堿石灰      C．濃硫酸       D．水
（3）測定ClO₂的過程如下：在錐形瓶中加入足量的碘化鉀，用50mL水溶解，再加3mL硫酸溶液，將生成的ClO₂氣體通入錐形瓶中完全吸收，在錐形瓶中加入幾滴淀粉溶液，用0.10mol/L的硫代硫酸鈉標準液滴定（I₂+2S₂O₃^2-=2I^-+S₄O₆^2-），共用去50.00mL標準液．
①ClO₂通入錐形瓶中與酸性碘化鉀溶液反應（還原產物為Cl^-），反應的離子方程式

 

；
②滴定終點現象是

 

；
③測得ClO₂的質量m（ClO₂）=

 

；
（4）以N₂、H₂為電極反應物，以1L濃度均為0.05mol?L^-1的HCl-NH₄Cl混合液為電解質溶液的燃料電池，請寫出電池工作時的正極反應式：

 

．已知NH₃?H₂O在常溫下的電離平衡常數為K，N₂-H₂燃料電池工作一段時間后溶液的pH=7，求電路中通過的電子的物質的量為

 

（用含K的代數式表示，假設NH₃與H₂O完全轉化為NH₃?H₂O且忽略溶液體積的變化）． 若有3克H₂被完全氧化產生電能，并利用該過程中釋放的電能電解足量的CuSO₄溶液，（假設以石墨為電極，整個過程中能量總利用率為80%），若要將CuSO₄溶液恢復到原來的濃度，需加入

 

（填化學式），質量為：

 

．

Answer 1

考點：制備實驗方案的設計,化學電源新型電池,探究物質的組成或測量物質的含量

專題：實驗設計題

分析：（1）由工藝流程轉化關系可知，電解氯化銨與鹽酸混合溶液，生成NCl₃與H₂．
（2）由信息可知，ClO₂易溶于水，所以不能利用水溶液吸收，氨氣為堿性氣體．據此判斷．
（3）①由題目信息可知，ClO₂通入錐形瓶與酸性碘化鉀溶液反應，氧化I^-為I₂，自身被還原為Cl^-，同時生成水；
②溶液由藍色恰好變?yōu)闊o色，且半分鐘內不褪色，說明滴定至終點；
③根據關系式2ClO₂～5I₂～10Na₂S₂O₃計算n（ClO₂），再根據m=nM計算m（ClO₂）．
（4）N₂在正極發(fā)生還原反應生成NH₄⁺，以此書寫電極反應式；根據溶液pH=7可知溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，然后根據一水合氨的電離平衡常數計算出溶液中氨水的濃度，再計算出氮氣反應生成氨氣和銨根離子的物質的量，最后計算出轉移的電子數；用電惰性極電解CuSO₄溶液，陰極銅離子放電，陽極氫氧根離子放電，然后根據析出的物質向溶液中加入它們形成的化合物即可，根據電子守恒計算出需要加入的氧化銅．

解答： 解：（1）由工藝流程轉化關系可知，電解氯化銨與鹽酸混合溶液，生成NCl₃與H₂，
反應方程式為NH₄Cl+2HCl═3H₂↑+NCl₃．
故答案為：NH₄Cl+2HCl═3H₂↑+NCl₃．
（2）A、ClO₂易溶于水，不能利用碳酸鈉溶液吸收氨氣，故A錯誤；
B、堿石灰不能吸收氨氣，故B錯誤；
C、濃硫酸可以吸收氨氣，且不影響ClO₂，故C正確；
D、ClO₂易溶于水，不能利用水吸收氨氣，故D錯誤．
故選：C．
（3）①由題目信息可知，ClO₂通入錐形瓶與酸性碘化鉀溶液反應，氧化I^-為I₂，自身被還原為Cl^-，同時生成水，反應離子方程式為2ClO₂+10I^-+8H⁺=2Cl^-+5I₂+4H₂O．
故答案為：2ClO₂+10I^-+8H⁺=2Cl^-+5I₂+4H₂O．
②溶液由藍色恰好變?yōu)闊o色，且半分鐘內不褪色，說明滴定至終點．
故答案為：溶液由藍色恰好變?yōu)闊o色，且半分鐘內不褪色；
③VmLNa₂S₂O₃溶液含有Na₂S₂O₃物質的量為V?10^-3 L×cmol/L=0.1×50×10^-3 mol．則：
根據關系式：2ClO₂～5I₂～10Na₂S₂O₃，
            2          10
          n（ClO₂）    0.1×50×10^-3 mol
所以n（ClO₂）=

1

5

×0.1×50×10^-3 mol．
所以m（ClO₂）=

1

5

×0.1×50×10^-3 mol×67.5g/mol=0.0675g．
故答案為：0.0675g．
（4）以N₂、H₂為電極反應物，以HCl-NH₄Cl為電解質溶液制取新型燃料電池，N₂在正極發(fā)生還原反應生成NH₄⁺，電極反應式為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；
已知NH₃?H₂O在常溫下的電離平衡常數為K，N₂-H₂燃料電池工作一段時間后溶液的pH=7，則溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，根據電荷守恒可得：c（Cl^-）=c（NH₄⁺）=0.1mol/L，氨水的電離平衡常數為：K=

c(NH +4)?c(OH -)

c(NH3?H2O)

=

0.1×1×10 -7

c(NH3?H2O)

，則溶液中氨水濃度為：c（NH₃?H₂O）=

1×10 -8

K

mol/L，原電池工作中生成銨根離子和氨水總的物質的量為：（0.05mol/L+

1×10 -8

K

mol/L）×1L=（0.05+

1×10 -8

K

）mol，氮氣的化合價為0，氨水和銨根離子中氮元素的化合價為-3價，化合價降低了3價，則轉移電子的物質的量為：（0.05+

1×10 -8

K

）mol×3=3×（0.05+

1×10 -8

K

）mol；
CuSO₄溶液存在的陰離子為：SO₄^2-、OH^-，OH^-離子的放電能力大于SO₄^2- 離子的放電能力，所以OH^-離子放電生成氧氣；
溶液中存在的陽離子是Cu²⁺、H⁺，Cu²⁺離子的放電能力大于H⁺離子的放電能力，所以Cu²⁺離子放電生成Cu，溶液變成硫酸溶液；
電解硫酸銅的方程式為：2CuSO₄+2H₂O

電解  .

2Cu+O₂ ↑+2H₂SO₄．所以從溶液中析出的物質是氧氣和銅，由元素守恒可知，則向溶液中加入氧化銅可恢復至電解前情況．
3克H₂的物質的量為1.5mol，失去電子的物質的量為3mol，能量總利用率為80%，電解轉移的電子的物質的量為：3mol×80%=2.4mol；
1mol氧氣反應得到4mol電子，若轉移2.4mol電子，生成氧氣的物質的量為：

2.4mol

4

=0.6mol，需要加入的氧化銅為0.6mol×2=1.2mol，質量為96g，
故答案為：N₂+6e^-+8H⁺=2NH₄⁺；3×（0.05+

1×10 -8

K

）mol；CuO；96g．

點評：本題考查閱讀題目獲取信息能力、氧化還原反應滴定及應用、離子檢驗、對工藝流程及裝置理解分析和化學電源新型電池的工作原理及計算等，難度中等，要求學生要有扎實的實驗基礎知識和靈活應用信息解決問題的能力，注意基礎知識的全面掌握．