Question

15．如图所示的四个容器中分别盛有不同的溶液，除a、b外，其余电极均为石墨电极．甲为铅蓄电池，其工作原理为：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充电}^{放电}$2PbSO₄+2H₂O，其两个电极的电极材料分别为PbO₂和Pb．闭合K，发现g 电极附近的溶液先变红，20 min后，将K断开，此时c、d两极上产生的气体体积相同．据此回答：

（1 ）a电极的电极材料是PbO₂（填“Pb0₂”或“Pb”）．
（2）丙装置中发生电解的总反应方程式为2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑
（3）电解20 min后，停止电解，此时要使乙中溶液恢复到原来的状态，需要加人的物质及其物质的量是0.1molCu（OH）₂
（4）20 min后将乙装置与其他装置断开，然后在c、d两 极间连接上灵敏电流计，发现电流计指针偏转，则此
时c电极为负极，d电极上发生反应的电极反应式为O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O
   （5）电解后冷却至常温，取amL丁装置中的溶液，向其中逐滴加人等物质的量浓度的CH₃COOH溶液，当 加入bmL CH₃COOH溶液时，混合溶液的pH恰好 等于7（体积变化忽略不计）．已知CH₃COOH的电
离平衡常数为1.75×10^-5，则$\frac{a}{b}$=$\frac{175}{176}$．

Answer 1

分析 甲池是原电池做电源，发生的反应为：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充电}^{放电}$2PbSO₄+2H₂O；乙丙丁是电解池，闭合K，发现G电极附近的溶液变红，说明G电极是电解池的阴极，H是电解池的阳极；所以a为正极，b为负极；c电极为阴极，d为阳极；e电极为阴极，f为阳极；20min后，将K断开，此时c、d两极上产生的气体体积相同，
（1）依据分析判断电极名称；
（2）丙中电解水；
（3）时c、d两极上产生的气体体积相同，c电极上发生的电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu；2H⁺+2e^-=H₂↑，d电极上发生的电极反应为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，根据电子守恒计算生成的Cu、氢气和氧气的物质的量；
（4）20min后将乙装置与其他装置断开，然后在c、d两极间连上灵敏电流计，发现电流计指针偏转，说明形成了原电池反应，氢气在c极失电子，氧气在d极得电子；
（5）电解后丁装置中的溶液为氢氧化钠，根据转移电子守恒计算生成NaOH的浓度，加醋酸生成醋酸钠溶液，结合Ka=$\frac{[C{H}_{3}CO{O}^{-}]•[{H}^{+}]}{[C{H}_{3}COOH]}$计算．

解答 解：甲池是原电池做电源，发生的反应为：Pb+PbO₂+2H₂SO₄$?_{充电}^{放电}$2PbSO₄+2H₂O；乙丙丁是电解池，闭合K，发现G电极附近的溶液变红，说明G电极是电解池的阴极，H是电解池的阳极；所以a为正极，b为负极；c电极为阴极，d为阳极；e电极为阴极，f为阳极；20min后，将K断开，此时c、d两极上产生的气体体积相同，
（1）a电极是铅蓄电池的正极，正极的电极材料是PbO₂；
故答案为：PbO₂；
（2）丙中电解硫酸铝，其实际上是电解水，其电解方程式为：2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑；
故答案为：2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2H₂↑+O₂↑；
（3）时c、d两极上产生的气体体积相同，c电极上发生的电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu；2H⁺+2e^-=H₂↑，d电极上发生的电极反应为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
设生成的氧气为xmol，则氢气也为xmol，生成的Cu为0.1L×1mol/L=0.1mol，由得失电子可得：2x+0.1×2=4x，解得x=0.1mol，
则电解时生成0.1mol氢气、0.1mol氧气和0.1molCu，若要恢复到原来的状态，需要加入0.1molCu（OH）₂；
故答案为：0.1molCu（OH）₂；
（4）20min后将乙装置与其他装置断开，然后在c、d两极间连上灵敏电流计，发现电流计指针偏转，说明形成了原电池反应，氢气在c极失电子，c为负极，氧气在d极得电子，正极的反应为：O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；
故答案为：负；O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O；
（5）电解后丁装置中的溶液为氢氧化钠，乙中电解生成0.1mol氧气，转移电子为0.4mol，则氯化钠被全部电解，则生成的氢氧化钠为0.2mol，其浓度2mol/L，加醋酸后溶液的pH恰好等于7，则c（H⁺）=c（OH^-），由电荷守恒可知c（Na⁺）=c（CH₃COO^-）=$\frac{2mol/L×a×1{0}^{-3}L}{（a+b）×1{0}^{-3}L}$=$\frac{2a}{a+b}$mol/L，
c（CH₃COOH）=$\frac{2mol/L×b×1{0}^{-3}L}{（a+b）×1{0}^{-3}L}$-c（CH₃COO^-）=$\frac{2（b-a）}{a+b}$mol/L，Ka=$\frac{[C{H}_{3}CO{O}^{-}]•[{H}^{+}]}{[C{H}_{3}COOH]}$=$\frac{\frac{2a}{a+b}×1{0}^{-7}}{\frac{2（b-a）}{a+b}}$=1.75×10^-5，解得$\frac{a}{b}$=$\frac{175}{176}$；
故答案为：$\frac{175}{176}$．

点评 本题考查了原电池和电解池原理、电离常数在计算中的应用等，正确判断原电池正负极和电解池的阴阳极、以及电极方程式的书写方法是解本题关键，根据离子放电顺序确定阴阳极电极反应，并结合得失电子守恒解答，难度中等．