Question

CuSO₄溶液是一种较重要的铜盐试剂，在电镀、印染、颜料、农药等方面有广泛应用。某同学利用CuSO₄溶液进行以下实验探究。

i. 下图是根据反应Zn+CuSO₄=Cu+ZnSO₄设计成的锌铜原电池。

①该原电池的正极为 ____ ，其外电路中的电子是从____ 极(填“Zn”或“Cu”)流出。

②电解质溶液乙是______溶液，Zn极的电极反应式是_______ 。

③如果盐桥中的成分是K₂SO₄溶液，则盐桥中向左侧烧杯中移动的离子主要是_____。

ii. 下图中，Ⅰ是甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)的结构示意图。

①同学想在Ⅱ中实现铁上镀铜，则Cu作____极，电极反应式为______，当线路中有0.1mol电子通过时，阴极增重_____ g。Ⅰ中消耗氧气体积是_____L(标况下)。

②a处通入的是____(填“CH₄”或“O₂”)，b处电极上发生的电极反应式是___。Ⅰ中的总反应方程式为___。                          

③该同学若将Ⅱ中的两个电极都换成铂电极，当线路中有0.1mol电子通过时，测得溶液pH=______(100mL的CuSO₄溶液)，则Ⅱ中的总反应方程式为 _______ 。

Answer

铜(Cu) Zn CuSO4 Zn-2e-=Zn2+ SO42- 阳 Cu-2e＝Cu2+ 3.2 0.56 CH4 2H2O+O2+4e-＝4OH- CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O 0 2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4

【解析】

i．原电池负极发生氧化反应，正极发生还原反应。根据反应Zn+CuSO4═Cu+ZnSO4，结合图示可知，Zn为负极，Cu为正极，盐桥中是含有琼胶的K2SO4饱和溶液，电池工作时K+向正极移动，SO42-向负极移动；

ii．利用该装置在Ⅱ中实现铁上镀铜，则铁做阴极，阴极上发生的电极反应为：Cu2++2e＝Cu，铜做阳极，阳极上发生的电极反应为：Cu-2e＝Cu2+，阴极与电源负极相连，燃料电池中，通入燃料的一极为负极，则a通入的为甲烷(CH4)，作燃料电池的负极，负极的电极反应为：CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O；b通入的为氧气(或空气)，作燃料电池的正极，正极的电极反应为：2H2O+O2+4e-＝4OH-，据此分析解答。

i．原电池反应Zn+CuSO4═Cu+ZnSO4，结合图一可知，Zn为负极，Cu为正极；

①该原电池的正极为铜(Cu)，原电池工作时外电路中电子从负极流向正极，即从Zn流出；

②原电池的正极上发生还原反应，溶液中Cu2+被还原，则电解质溶液乙是CuSO4溶液，负极Zn发生的电极反应为Zn-2e−═Zn2+；

③盐桥中是含有琼胶的K2SO4饱和溶液，电池工作时，阴离子向负极移动，阳离子向正极移动，则SO42−向负极(左侧烧杯)移动，K+向正极(右侧烧杯)移动；

ii．①根据分析，同学想在Ⅱ中实现铁上镀铜，则Cu作阳极，电极反应式为Cu-2e＝Cu2+，铁作阴极，电极反应为Cu2++2e＝Cu，当线路中有0.1mol电子通过时，阴极析出0.05mol铜单质，增重0.05mol×64g/mol=3.2g。Ⅰ中正极的电极反应为：2H2O+O2+4e-＝4OH-，消耗氧气的物质的量为=0.025mol，标况下体积是0.025mol×22.4L/mol=0.56L；

②根据分析，a通入的为甲烷(CH4)，作燃料电池的负极，负极的电极反应为：CH4+10OH--8e-= CO32-+7H2O；b处电极为正极，发生的电极反应式是2H2O+O2+4e-＝4OH-；将正负极电极反应合并，Ⅰ中的总反应方程式为CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O；

③该同学若将Ⅱ中的两个电极都换成铂电极，电解硫酸铜溶液，阴极铜离子放电生成铜单质，电极反应为：Cu2++2e＝Cu，阳极为电解水，氢氧根离子放电，电极反应为：2H2O-4e-=4H++O2↑，当线路中有0.1mol电子通过时，生成0.1mol氢离子，则溶液中氢离子浓度为=1mol/L，测的溶液pH=0，则Ⅱ中的总反应方程式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4。