Question

17．納米級Cu₂O是優良的催化劑和半導體材料，工業上常用下列方法制備Cu₂O．
（1）熱還原法
加熱條件下，用液態肼（ N₂H₄）還原新制的Cu（ OH）₂制備Cu₂O，同時放出N₂．該反應的化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
（2）電解法
以氫氧燃料電池為電源，用電解法制備Cu₂O的裝置如圖所示．

①氣體A發生的電極反應為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
②燃料電池中，OH^-的移動方向為由左向右（填“由左向右”或“由右向左”）；電解池中，陽極的電極反應式為2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O．
③電解一段時間后，欲使陰極室溶液恢復原來組成，應向其中補充一定量H₂O（填化學式）．
④制備過程中，可循環利用的物質為H₂（填化學式）．
（3）利用氫氧燃料電池，電解50mL 2mol/L的CuCl₂溶液（兩電極為惰性電極），當消耗標況下6.72L氫氣時，在電解池的陽極可得到產物的質量為10.3g．

Answer 1

分析 本題探究熱還原法、電解法及干法還原法制備Cu₂0的原理，其中熱還原法是加熱條件下，利用液態肼（N₂H₄）還原新制的Cu（OH）₂制備Cu₂0，同時先是氮氣；電解法是利用氫氧燃料電池用銅作陽極電解氫氧化鈉溶液制得Cu₂0，同時還考查了有關電化學理論，如電極反應式、陰離子的轉移及電極的判斷等；干法還原法是利用反應Cu+CuO$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$Cu₂O也可制備Cu₂0，重點考查的是氧化還原反應的分析及運用物質的量進行的計算；
（1）在加熱條件下，用液態肼（N₂H₄）還原新制的Cu（OH）₂制備Cu₂0，同時放出N₂，結合質量守恒定律和氧化還原反應可寫出此反應的化學方程式；
（2）①電解池中銅為陽極，A為原電池的正極，氣體A為氧氣，堿性氫氧燃料電池中，正極上氧氣得電子發生還原反應；
②原電池中，陰離子向負極移動；電解池的陽極是銅電極被氧化，可根據陽極周圍的堿性環境及電解產物來書寫電極反應式；
③電解池中發生的總反應式為2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，根據電解什么補什么的原則，可知需要補充的物質；
④燃料電池消耗的是氧氣和氫氣，電解池內溶解銅，同時得到氫氣，可知可循環利用的物質為氫氣；
（3）惰性電極電解氯化銅，陽極電極反應為2Cl^--2e^-=Cl₂↑和4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu和2H⁺+2e^-=H₂，依據電子守恒和電極反應結合CuCl₂溶液中溶質的物質的量計算陽極可得到產物的質量．

解答 解：（1）根據反應物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，
故答案為：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;加熱\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
（2）①燃料電池通氧氣的極為正極，連接電解池陽極（銅電極）的極為正確，可知氣體A為氧氣，堿性氫氧燃料電池中，正極上氧氣得電子和水反應生成氫氧根離子，電極反應式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②原電池內陰離子向負極移動，故燃料電池內OH-的移動方向為從左向右，電解池陽極是銅被氧化，電極反應式為2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O，
故答案為：由左向右；2Cu+2OH^--2e^-=Cu₂O+H₂O；
③電解池內發生的總反應式為2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$Cu₂0+H₂↑，可知需要補充的物質是水，
故答案為：H₂O；
④電解池陰極得到的氫氣可補充燃料電池消耗的氫氣，可見可循環的物質為氫氣，
故答案為：H₂；
（3）利用氫氧燃料電池，電解50mL 2mol/L的CuCl₂溶液（兩電極為惰性電極），當消耗標況下6.72L氫氣時，n（H₂）=$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，n（CuCl₂）=0.05L×2mol/L=0.1mol，故陽極產物為Cl₂和O₂．根據電子守恒可得：n（Cl₂）=0.05L×2mol/L=0.1mol和n（O₂）=$\frac{0.3mol×2-0.1mol×2}{4}$=0.1mol，故電解池的陽極可得到產物的質量為：0.1mol×71g/mol+0.1mol×32g/mol=10.3g，故答案為：10.3．

點評 本題考查氧化還原反應原理、電化學理論、混合物的計算、守恒計算等，題目難度中等，明確反應過程是解題的關鍵，計算題采取拆分法解答，簡化計算過程，注意在學習中歸納總結．