Question

（Ⅰ）某興趣小組的同學用下圖所示裝置研究有關電化學的問題。當閉合該裝置的電鍵時，觀察到電流計的指針發生了偏轉。請回答下列問題：
 
(1)甲裝置的名稱是____________ (填“原電池”或“電解池”)。
(2) 寫出電極反應式： Pt極                                ； 當甲中產生0.1 mol氣體時，乙中析出銅的質量應為______________。
(3)若乙中溶液不變，將其電極都換成銅電極，電鍵閉合一段時間后，乙中溶液的顏色___________（填“變深”、“變淺”或“無變化”）。
（Ⅱ）燃料電池是燃料（如CO、H₂、CH₄等）跟O₂（或空氣）反應，將化學能轉化為電能的裝置。對于以強堿為電解質的CH₄燃料電池，負極電極反應式為：                                      ，隨著放電的進行，溶液的pH            （填“變大”“變小”或“不變”）。
（Ⅲ）由Cu²⁺、Cl^-、Na⁺、SO₄^2-四種離子中的兩種離子組成的電解質溶液若干種，可選用銅電極、鉑電極進行電解實驗。
(1)要使電解過程中溶質的組成和質量不變，而該稀溶液的濃度增大，又無渾濁，應以­­­­­_______為陽極電解          溶液，陽極電極反應式為                         。
(2)以鉑作陽極電解            溶液時，溶液的堿性有明顯增強，且溶液保澄清，電解的總反應式為                                                     。

Answer 1

（Ⅰ）（1）原電池 （1分） （2）2Cl^－ - 2e^－＝ Cl₂↑（2分）  6.4g （2分）
（3）無變化 （1分）  （Ⅱ）CH₄+10OH^－－8e＝CO₃^2-+7H₂O （2分）   變小（1分）
（Ⅲ）(1) 鉑（1分）  Na₂SO₄（1分）
4OH^-－4e^-＝2H₂O+O₂↑（2分）（寫2H₂O-4e^- ＝O₂↑+4H⁺同樣給分）
(2)   NaCl（1分） 2NaCl+2H₂O2NaOH+H₂↑+Cl₂↑（2分）（沒寫“電解”或“通電”不給分）

試題分析：（Ⅰ）（1）由圖中的銅、鋅兩種電極和電解質稀硫酸和閉合電路可判斷：該裝置為原電池，Zn比銅活潑，則Zn作負極，Cu作正極，發生電池反應為Zn+_H2SO4＝ZnSO₄+H₂↑，電子由負極流向正極，該裝置將化學能轉變為電能，即甲裝置的名稱是原電池。
（2）甲裝置為原電池，將化學能轉變為電能，乙裝置為電解池，石墨和鉑都為惰性電極，連接電源正極的鉑電極為電解池的陽極，溶液中的氯離子放電，發生氧化反應：2Cl^--2e^-＝Cl₂↑。連接電源負極的碳電極為電解池的陰極，溶液中的銅離子放電，發生還原反應：Cu²⁺+2e^-＝Cu。根據原電池、電解池中電子守恒，當甲中產生0.1mol氣體時，銅正極上發生反應2H⁺+2e^-＝H₂↑，轉移0.2mol電子，則根據Cu²⁺+2e^-＝Cu，乙中析出銅的物質的量為0.1mol，質量為6.4克。
（3）若乙中溶液不變，將其電極都換成銅電極，電鍵閉合一段時間后，為電鍍池，陽極銅溶解Cu-2e^-＝Cu²⁺，陰極銅上銅離子得電子析出金屬銅Cu²⁺+2e^-＝Cu，溶液中銅離子顏色為藍綠色，溶液中c（Cu²⁺）不變，所以顏色未變。
（Ⅱ）原電池中較活潑的金屬是負極，失去電子，發生氧化反應。電子經導線傳遞到正極，所以溶液中的陽離子向正極移動，正極得到電子，發生還原反應。因此甲烷燃料電池中總離子方程式為：CH₄+2O₂+2OH^-＝CO₃^2-+3H₂O，所以通入氧氣的一極為正極發生還原反應：O₂+2H₂O+4e^-＝4OH^-；通入甲烷的一極為負極，發生氧化反應，反應式為：CH₄+10OH^--8e^-＝CO₃^2-+7H₂O；隨著不斷放電，原電池反應中反應生成水，氫氧根離子濃度減小，電解質溶液的pH減小。
（Ⅲ）由Cu²⁺、Cl^-、Na⁺、SO₄^2-四種離子中的兩種離子組成的電解質溶液，可以是CuCl₂、Na₂SO₄；也可為CuSO₄、NaCl；因陽離子放電順序為Cu²⁺＞Na⁺＞H⁺，陰離子放電順序為Cl^-＞OH^-＞SO₄^2-，惰性電極電解CuCl₂溶液時，銅離子、氯離子放電，則電解質Na₂SO₄溶液時，電解質質量不變，水量減少，惰性電極電解電解CuSO₄（或NaCl）溶液時，則銅離子、氫氧根離子（或氯離子、氫離子）放電，所以電解質和水量都減少；
（1）要使電解過程中溶質的組成和質量不變，而該稀溶液的濃度增大，又無渾濁，說明本質為電解水，用惰性電極電解，銅為不活潑金屬，但作陽極溶解，所以選擇鉑作電極，溶液中氫離子、氫氧根離子放電，陰極：4H⁺+4e^-＝2H₂ ↑，陽極4OH^--4e^-＝2H₂O+O₂↑，電解Na₂SO₄溶液時，電解質質量不變，水量減少。
（2）以鉑作陽極電解硫酸銅，電解過程中，陽極：溶液中陰離子OH^-、SO₄^2-移向陽極，氫氧根離子放電發生氧化反應，電極反應式：4OH^--4e^-＝2H₂O+O₂↑；陰極：溶液中陽離子Cu²⁺、H⁺移向陰極發生還原反應，電極反應：2Cu²⁺+4e^-＝2Cu；所以溶液中氫氧離子濃度逐漸減小，氫離子濃度逐漸增大，pH值逐漸變小；以鉑作陽極電解氯化鈉溶液時，陰極電極反應式為：2H₂O+2e^-＝H₂ ↑+2OH^-，陽極上氯離子失電子發生氧化反應，電極反應式為：2Cl^--2e^-＝Cl₂↑，同時生成氫氧化鈉，所以其電池反應式為：2NaCl+2H₂O2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，因此溶液中氫離子濃度逐漸減小，pH值逐漸變大，且溶液保澄清。