Question

16．H₂O₂是一種常用綠色氧化劑，在化學研究中應用廣泛．

（1）空氣陰極法電解制備H₂O₂的裝置如圖1所示，主要原理是在堿性電解質溶液中，通過利用空氣中氧氣在陰極還原得到H₂O₂和稀堿的混合物．試回答：
①直流電源的a極名稱是正極．
②陰極電極反應式為O₂+2e^-+2H₂O=H₂O₂+2OH^-．
③1979年，科學家們用CO、O₂和水在三苯膦鈀的催化下室溫制得了H₂O₂．相對于電解法，該方法具有的優點是安全、能耗低．
（2）Fe³⁺對H₂O₂的分解具有催化作用．利用圖2（a）和（b）中的信息，按圖2（c）裝置（連通的A、B瓶中已充有NO₂氣體）進行實驗．可觀察到B瓶中氣體顏色比A瓶中的深（填“深”或“淺”），其原因是H₂O₂分解放熱，使平衡2NO₂═N₂O₄向生成NO₂方向移動．
（3）用H₂O₂ 和H₂SO₄ 的混合溶液可溶解印刷電路板金屬粉末中的銅．反應的離子方程式是Cu+H₂O₂+H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+2H₂O，控制其它條件相同，印刷電路板的金屬粉末用10%H₂O₂和3.0mol•L^-1H₂SO₄溶液處理，測得不同溫度下銅的平均溶解速率（見下表）

溫度（℃）	20	30	40	50	60	70	80
Cu的平均溶解速率 （×10-3mol•min-1）	7.34	8.01	9.25	7.98	7.24	6.73	5.76

當溫度高于40℃時，銅的平均溶解速率隨著反應溫度的升高而下降，其主要原因是溫度高于40℃后，隨著溫度的升高，H₂O₂的分解速率加快，使溶液中H₂O₂的濃度降低加快，對銅的溶解速率的影響超過了溫度升高對銅溶解速率的影響，所以銅的溶解速率逐漸減小．

Answer 1

分析 （1）由題給信息氧氣在陰極還原得到H₂O₂和稀堿的混合物，則b為負極，a為正極；電解法需消耗電能，而催化法常溫下即可進行；
（2）由圖a可知，1mol過氧化氫總能量高于1mol水與0.5mol氧氣總能量，故過氧化氫分解是放熱反應，由圖b可知，2mol二氧化氮的能量高于1mol四氧化二氮的能量，故二氧化氮轉化為四氧化二氮的反應為放熱反應，所以圖c中，右側燒杯的溫度高于左側，升高溫度使2NO₂（紅棕色）?N₂O₄（無色）△H＜0，向逆反應方向移動；
（3）溶液變成藍色，銅被氧化成銅離子：Cu+H₂O₂+H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+2H₂O；當溫度高于40℃時，銅的平均溶解速率隨著反應溫度的升高而下降，其主要原因是：溫度高于40℃后，隨著溫度的升高，H₂O₂的分解速率加快，使溶液中H₂O₂的濃度降低加快，對銅的溶解速率的影響超過了溫度升高對銅溶解速率的影響，所以銅的溶解速率逐漸減小．

解答 解：（1）由題給信息氧氣在陰極還原得到H₂O₂和稀堿的混合物，則b為負極，a為正極，陰極電極反應式為：O₂+2e^-+2H₂O=H₂O₂+2OH^-，電解需要消耗大量電能，而CO、O₂和水在三苯膦鈀的催化下室溫制得了H₂O₂，不需要額外提供能量，故答案為：正極；O₂+2e^-+2H₂O=H₂O₂+2OH^-；能耗低；
（2）由圖a可知，1mol過氧化氫總能量高于1mol水與0.5mol氧氣總能量，故過氧化氫分解是放熱反應，由圖b可知，2mol二氧化氮的能量高于1mol四氧化二氮的能量，故二氧化氮轉化為四氧化二氮的反應為放熱反應，所以圖c中，右側燒杯的溫度高于左側，升高溫度使2NO₂（紅棕色）?N₂O₄（無色）△H＜0，向逆反應方向移動，即向生成NO₂移動，故B瓶顏色更深，
故答案為：深；H₂O₂分解放熱，使平衡2NO₂═N₂O₄向生成NO₂方向移動；
（3）銅與H₂O₂ 和H₂SO₄ 反應生成了硫酸銅，反應方程式是：Cu+H₂O₂+H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+2H₂O；由于溫度高于40℃后，隨著溫度的升高，H₂O₂的分解速率加快，使溶液中H₂O₂的濃度降低加快，對銅的溶解速率的影響超過了溫度升高對銅溶解速率的影響，所以銅的溶解速率逐漸減小；
故答案為：Cu+H₂O₂+H₂SO₄ $\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CuSO₄+2H₂O；溫度高于40℃后，隨著溫度的升高，H₂O₂的分解速率加快，使溶液中H₂O₂的濃度降低加快，對銅的溶解速率的影響超過了溫度升高對銅溶解速率的影響，所以銅的溶解速率逐漸減小．

點評 本題綜合考查原電池、電解池、化學平衡移動以及化學反應速率的影響等知識，為高考常見題型和高頻考點，側重于學生的分析能力和實驗能力的考查，本題注意把握化學基本理論知識，注意相關知識的積累，難度中等．