Question

3．已知铅蓄电池的工作原理为Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充电}^{放电}$2PbSO₄+2H₂O，现用如图装置进行电解（电解液足量），测得当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减少11.2g．请回答 下列问题．
（1）A是铅蓄电池的负极，铅蓄电池正极反应式为PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-═PbSO₄+2H₂O，放电过程中电解液的密度减小（填“减小”、“增大”或“不变”）．
（2）Ag电极的电极产物共0.4g，Cu电极的电极反应式是Cu-2e^-=Cu²⁺，CuSO₄溶液的浓度不变 （填“减小”、“增大”或“不变”）
（3）把物质的量均为0.1mol的AlCl₃、CuCl₂和H₂SO₄溶于水制成100mL的混合溶液，用石墨作电极电解，并收集两电极所产生的气体，一段时间后在两极收集到的气体在相同条件下体积相同．则下列描述正确的是BD
A．阳极得到的气体中有0.35mol O₂
B．铝元素以Al（OH）₃、Al³⁺的形式存在
C．阴极质量增加3.2g
D．电路中共转移0.9mol电子．

Answer 1

分析 （1）（2）当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减小11.2g，说明铁作阳极，银作阴极，连接原电池负极（A）的电极作阴极，连接原电池正极（B）的电极作阳极，原电池负极上失电子发生氧化反应，正极上得电子发生还原反应；故银作阴极，电解稀硫酸时，阴极上氢离子放电生成氢气；铜作阳极，阳极上铜失电子发生氧化反应，阴极上析出铜，所以该装置是电镀池，据此解答即可；
（3）AlCl₃、CuCl₂和H₂SO₄溶于水制成的混合溶液，用石墨做电极电解，则阴极上发生的电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，2H⁺+2e^-=H₂↑，阳极上发生电极反应：Cl^--2e^-=Cl₂↑，4OH^-→O₂↑+2H₂O+4e^-，根据电子守恒和电极方程式进行计算即可．

解答 解：（1）当铅蓄电池中转移0.4mol电子时铁电极的质量减小11.2g，说明铁作阳极，银作阴极，阴极连接原电池负极，所以A是负极，B是正极，正极上二氧化铅得电子发生还原反应，电极反应式为PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-═PbSO₄+2H₂O，依据电解方程式判断，放电过程中电解液消耗，所以密度减小，
故答案为：负；PbO₂+4H⁺+SO₄^2-+2e^-═PbSO₄+2H₂O；减小；
（2）银作阴极，电解稀硫酸时，阴极上氢离子放电生成氢气，电极反应式为2H⁺+2e^-═H₂↑，生成氢气的质量=$\frac{0.4mol}{2}$×2g/mol=0.4g，Cu电极是阴极，其电极反应式是Cu-2e^-=Cu²⁺，右池相当于电镀铜，CuSO₄溶液的浓度不变，故答案为：0.4；Cu-2e^-=Cu²⁺；不变；
（3）A、通过A的分析可知阳极得到的气体中有O₂，氧气物质的量为0.1mol，故A错误；
B、根据A的分析计算，溶液中Cu²⁺，H⁺，Cl^-均消耗完，剩余的是0.1molAl³⁺，0.1molSO₄^2-，和0.1molOH^-（分析过程见选项A），所以最后溶液中剩余的是$\frac{1}{3}$Al（OH）₃和$\frac{2}{3}$的Al₂（SO₄）₃，即铝元素仅以铝离子和Al（OH）₃的形式存在，故B正确；
C、阴极上析出铜0.1mol，因此阴极质量增加6.4g，故C错误；
D、根据离子的放电顺序可知，阳极首先是氯离子放电，生成氯气，然后是OH^-放电，生成氧气；阴极首先是铜离子放电，析出铜，然后是氢离子放电生成氢气．电极反应式为：
阴极：Cu²⁺+2e^-=Cu，2H⁺+2e^-=H₂↑，
         0.1     0.2  0.1           0.2  0.1
阳极：2Cl^--2e^-=Cl₂↑，4OH^-→O₂↑+2H₂O+4e^-，
           0.5  0.5  0.25             0.1             0.4
可以得出，首先0.1molCu²⁺得0.2mol电子，后H₂SO₄中的0.2molH⁺得0.2mol电子，生成0.1molH₂，还剩余0.1mol电子是由水中的氢离子得，生成0.05mol的H₂，同时剩余0.1mol的OH^-，此时转移电子数=0.5mol，阳极的n（Cl₂）=0.25mol，阴极的n（H₂）=0.1mol+0.05mol=0.15mol，阴阳两极产生的气体物质的量不相等，因此会继续电解水，阴极生成氢气，阳极生成氧气，物质的量比是2比1，设生成O₂x mol，则H₂2x mol，根据已知条件两极收集到的气体在相同条件下体积相同，故2x+0.15=x+0.25，得x=0.1mol，因此电解水过程转移电子数=0.1mol×4=0.4mol，所以总共转移0.5mol+0.4mol=0.9mol，故D正确；
故选BD．

点评 本题考查学生电解池的工作原理知识，可以根据所学内容来回答，难度较大．