Question

18．将1L一定浓度的硫酸铜溶液，用A，B两个石墨作电极电解，当A极上产生22.4L标况气体时，B极上只有固体析出．然后将A，B两电极与电源反接，继续通直流电，B极上又产生22.4L（标况）气体，溶液质量共减少227g．求：
（1）A极上产生22.4L（标况）气体时，B极增加的质量．
（2）原溶液的物质的量浓度．

Answer 1

分析 当用惰性电极电解CuSO₄溶液时，其总反应式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，A极产生气体，B极析出固体，则A为阳极、B为阴极，阴极（B）电极反应式：2Cu²⁺+4e^-=2Cu，阳极（A）电极反应式：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，阳极生成氧气为1mol，阴极析出Cu为2mol；
当反接电源时，电解池的阴极、阳极发生相应的变化，且原先附着在石墨上的Cu此时成了阳极，参加电极反应．当电源反接后，B极又产生1mol O₂，反接后共转移电子8mol，若阴极只有Cu²⁺放电，则在阴极上析出4mol铜，则溶液质量减少4mol×64g/mol+2mol×32g/mol=320g＞227g，故反应后CuSO₄中Cu²⁺已放电完毕，A极上亦有H⁺放电，溶液中CuSO₄的物质的量小于4mol．
（1）B极参加的质量为析出Cu的质量，根据m=nM计算；
（2）设反接后阴极析出Cu为xmol、析出氢气为ymol，结合溶液减少质量、电子转移守恒列方程计算Cu的物质的量，再根据Cu元素守恒计算CuSO₄的物质的量，进而计算原CuSO₄溶液的物质的量浓度．

解答 解：当用惰性电极电解CuSO₄溶液时，其总反应式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄，A极产生气体，B极析出固体，则A为阳极、B为阴极，阴极（B）电极反应式：2Cu²⁺+4e^-=2Cu，阳极（A）电极反应式：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，阳极生成氧气为$\frac{22.4L}{22.4L/mol}$=1mol，由于电子转移守恒，可知阴极析出Cu为2mol；
当反接电源时，电解池的阴极、阳极发生相应的变化，且原先附着在石墨上的Cu此时成了阳极，参加电极反应．当电源反接后，B极又产生O₂为$\frac{22.4L}{22.4L/mol}$=1mol，反接后共转移电子为1mol×4+2mol=8mol，若阴极只有Cu²⁺放电，根据电子转移守恒，则在阴极上析出铜为$\frac{8mol}{2}$=4mol，则溶液质量减少4mol×64g/mol+2mol×32g/mol=320g＞227g，故反应后CuSO₄中Cu²⁺已放电完毕，A极上亦有H⁺放电，溶液中CuSO₄的物质的量小于4mol，
（1）A极上产生22.4L（标况）气体时，B极参加的质量为析出Cu的质量，B极增加的质量为2mol×64g/mol=128g，
答：B极增加的质量为128g；
（2）设反接后阴极析出Cu为xmol、析出氢气为ymol，结合溶液减少质量，则：64x+2y+2×32=227，
根据电子转移守恒：2x+2y=8，
联立方程解得：x=2.5、y=1.5，
所以n（CuSO₄）=n（Cu）=2.5mol，c（CuSO₄）=$\frac{2.5mol}{1L}$=2.5mol/L，
答：原CuSO₄溶液的物质的量浓度为2.5mol/L．

点评 本题考查电解原理的有关计算，判断电源反接后发生的反应是关键，侧重考查学生分析计算能力，难度较大．