Question

甲、乙的实验装置如图所示，丙、丁分别是氯碱工业生产示意图和制备金属钛的示意图。

请回答下列问题：

(1)写出甲装置中碳棒表面的电极反应式：_______________________________。

(2)已知：5Cl₂＋I₂＋6H₂O=10HCl＋2HIO₃。若将湿润的淀粉­KI试纸置于乙装置中的碳棒附近，现象为________________________________；若乙装置中转移0.02 mol电子后停止实验，烧杯中溶液的体积为200 mL，则此时溶液的pH＝________。(室温条件下，且不考虑电解产物的相互反应)

(3)工业上经常用到离子交换膜，离子交换膜有阳离子交换膜和阴离子交换膜两种，阳离子交换膜只允许阳离子通过，阴离子交换膜只允许阴离子通过。当乙装置中的反应用于工业生产时，为了阻止两极产物之间的反应，通常用如丙图所示的装置，Na^＋的移动方向如图中标注，则H₂的出口是________(填“C”、“D”、“E”或“F”)；________(填“能”或“不能”)将阳离子交换膜换成阴离子交换膜。

(4)研究发现，可以用石墨作阳极、钛网作阴极、熔融CaO作电解质，利用丁装置获得金属钙，并以钙为还原剂，还原二氧化钛制备金属钛。

①写出阳极的电极反应式：___________________________________________。

②在制备金属钛前后，CaO的总量不变，其原因是(请结合化学用语解释)__________________________________________________________。

③电解过程中需定期更换阳极材料的原因是____________________________。

Answer

(1)O2＋2H2O＋4e－=4OH－

(2)试纸开始变蓝，一段时间后蓝色褪去 13

(3)E 不能

(4)①2O2－－4e－=O2↑

②制备Ti时，在电解槽中发生的反应：阴极2Ca2＋＋4e－=2Ca、阳极2O2－－4e－=O2↑和2Ca＋TiO2Ti＋2CaO，由此可知CaO的量不变

③石墨与阳极产生的氧气反应而不断减少

【解析】 (1)甲装置中锌作负极，碳棒作正极，碳棒表面的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－=4OH－。

(2)由乙装置中电子流向可知Fe为电解池的阴极，C为电解池的阳极，电解饱和食盐水时，碳棒上的电极反应式为2Cl－－2e－=Cl2↑，若将湿润的淀粉­KI试纸置于碳棒附近，试纸开始变蓝，一段时间后蓝色褪去；惰性电极电解饱和食盐水的总反应式为2Cl－＋2H2O2OH－＋Cl2↑＋H2↑，则n(OH－)＝n(e－)＝0.02 mol，c(OH－)＝0.1 mol·L－1，所以溶液的pH＝13。

(3)Na＋移向阴极区，阴极上产生H2，H2从E口逸出；若改用阴离子交换膜，电解产生的OH－移向阳极区，能与阳极产生的Cl2发生反应：2OH－＋Cl2=Cl－＋ClO－＋H2O，故不能改用阴离子交换膜。

(4)根据题设条件，熔融CaO电离产生Ca2＋、O2－。Ca2＋在阴极获得电子生成Ca,2Ca2＋＋4e－=2Ca，O2－在阳极失去电子产生O2,2O2－－4e－=O2↑。生成的Ca与TiO2发生置换反应：2Ca＋TiO2Ti＋2CaO，可见CaO的总量不变。阳极产生的O2与石墨发生反应生成CO2，所以电解过程中，应补充被消耗的阳极材料石墨。