Question

2．（1）某课外活动小组同学用如图1装置进行实验，试回答下列问题：
①若开关K与a连接，则铁发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀，石墨电极上的电极反应式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

②若开关K与b连接，则电解反应的化学方程式为2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．
（2）该小组同学设想，如果模拟工业上离子交换膜法制烧碱的方法，用如2图所示装置电解硫酸钠溶液来制取氢气、氧气、硫酸和氢氧化钠，无论从节省能源还是从提高原料的利用率而言都更加符合绿色化学理念．
①该电解槽的阳极反应式为4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．此时通过阴离子交换膜的离子数小于（选填“大于”、“小于”或“等于”）通过阳离子交换膜的离子数．
②通电开始后，阴极附近溶液pH增大（选填“增大”、“不变”或“减小”）．
③若将制得的氢气、氧气和氢氧化钠溶液组合为氢氧燃料电池，则电池负极的电极反应式为H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；已知H₂的燃烧热为285.8KJ/mol，则该燃料电池工作产生36g 液态H₂O时，理论上有571.6．kJ的能量转化为电能．

Answer 1

分析 （1）①若开始时开关K与a连接，则形成原电池反应，为铁的吸氧腐蚀；
②若开始时开关K与b连接，形成电解池装置，石墨为阳极，发生氧化反应生成氯气，能使湿润的KI淀粉试纸变蓝，铁为阴极，发生还原反应生成氢气和氢氧化钠，以此解答；
（2）①该电解槽的阳极上水失电子生成氧气和氢离子；阴离子交换膜的离子是氢氧根离子、通过阳离子交换膜的离子是钠离子，根据电荷守恒判断；
②通电开始后，阴极上水得电子生成氢气和氢氧根离子，导致溶液碱性增强；
③氢氧燃料碱性电池中，电池负极上氢气失电子和氢氧根离子反应生成水；
H₂的燃烧热为285.8kJ•mol^-1，n（H₂O）=$\frac{36g}{18g/mol}$=2mol，根据氢原子守恒知，生成2mol水需要2mol氢气，据此计算反应热．

解答 解：（1）①开始时开关K与a连接，是原电池，铁为负极，发生氧化反应，失去电子生成亚铁离子，电极方程式为Fe-2e^-=Fe²⁺，石墨电极A极上氧气得电子被还原，电极方程式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，为铁的吸氧腐蚀；
故答案为：吸氧；O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②开关K与b连接，装置为电解池，铁为阴极，发生还原反应，氢离子得到电子生成氢气，电解饱和食盐水生成氢氧化钠、氢气和氯气，总反应式为2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，
故答案为：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
（2）①电解时，阳极上失电子发生氧化反应，溶液中的氢氧根离子的放电能力大于硫酸根离子的放电能力，所以阳极上氢氧根离子失电子生成水和氧气4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；阳极氢氧根离子放电，因此硫酸根离子向阳极移动，阴极氢离子放电，因此钠离子向阴极移动，所以通过相同电量时，通过阴离子交换膜的离子数小于通过阳离子交换膜的离子数，
故答案为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；小于；
②通电开始后，阴极上氢离子放电生成氢气，氢离子来自于水，所以促进水的电离，导致溶液中氢氧根离子的浓度大于氢离子的浓度，所以溶液的pH值增大．
故答案为：增大；
③氢气、氧气和氢氧化钠溶液组合为氢氧燃料电池，负极上氢气失去电子和氢氧根离子反应生成水，电极反应式为H₂+2OH^--2e^-=2H₂O，H₂的燃烧热为285.8kJ/mol，则2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol，该燃料电池工作产生36g H₂O，n（H₂O）=$\frac{36g}{18g/mol}$=2mol，由燃烧的热方程式可知，生成2molH₂O放出571.6kJ的热量，即理论上有571.6kJ的能量转化为电能，
故答案为：H₂+2OH^--2e^-=2H₂O；571.6．

点评 本题考查电解原理及金属腐蚀与防护，为高频考点，明确各个电极上发生的反应是解本题关键，难点是电极反应式的书写，要结合电解质溶液酸碱性书写，易错点是（2）①判断通过交换膜阴阳离子个数相对大小，要结合电荷守恒判断，题目难度中等．