Question

4．將質量相等的鐵片和銅片用導線相連浸入500mL硫酸銅溶液中構成如圖1的裝置．

（1）銅片上的電極反應式為Cu²⁺+2e^-=Cu，銅片周圍溶液會出現顏色變淺的現象．
（2）若按照上述裝置反應一段時間后測得鐵片減少了2.4g，同時銅片增加了3.2g，則這段時間內該裝置消耗的化學能有50%轉化為電能．
（3）若將該裝置改為如圖2所示的裝置也能達到和原裝置相同的作用，同時能保證停止使用該裝置時反應物不損耗，KCl溶液起溝通兩邊溶液形成閉合回路的作用，則硫酸銅溶液應該注入右（填“左側”、“右側”或“兩側”）燒杯中，若2min內鐵片減少了5.6g，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mo1/min．
（4）若按照（3）中裝置反應一段時間后測得鐵片和銅片之間的質量差為0.6g，則導線中流過的電子為0.01mol．

Answer 1

分析 （1）裝置是否有外加電源可以判斷所屬的類別，根據電池的工作原理來分析電極電極反應以及現象；
（2）鐵電極的電子一部分傳給銅電極，發生原電池反應．同時鐵電極上也發生置換反應．電極反應：Fe-2e^-→Fe²⁺，Cu²⁺+2e^-=Cu，銅電極增加3.2g，即0.05mol，同時鐵電極原電池反應產生0.05molFe²⁺，即鐵電極減少56g/mol×0.05
mol=2.8g，但是鐵片只減少了2.4g，因為鐵片有一部分直接發生置換反應，有銅生成，所以質量增加了，這部分鐵的化學能沒有轉化為電能，所以有2.8g-2.4g=0.4g的質量差，設有xmol鐵直接參與置換反應，
Cu²⁺+Fe=Cu+Fe²⁺△m
       1mol 64         8
         x               0.4
計算得x=0.05mol，即直接發生置換反應的鐵為0.05mol，參與原電池反應的鐵也是0.05mol；
（3）鹽橋原電池中，金屬電極插入含有該電極金屬陽離子的鹽溶液中，所以硫酸銅溶液應該注入右側燒杯中，若2min內鐵片減少了5.6g，該段時間內用亞鐵離子表示的平均反應速率v=$\frac{\frac{\frac{5.6g}{56g/mol}}{0.5L}}{2min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mol/min；
（4）根據電極反應式來計算．

解答 解：（1）裝置沒有外加電源，屬于原電池，活潑金屬鋅做負極，本身失電子，Fe-2e^-=Fe²⁺，正極上是銅離子得電子，電極反應式：Cu²⁺+2e^-=Cu，所以銅離子在該極附近溶度減小，溶液顏色變淺，故答案為：Cu²⁺+2e^-=Cu；顏色變淺；
（2）鐵電極的電子一部分傳給銅電極，發生原電池反應．同時鐵電極上也發生置換反應．電極反應：Fe-2e^-→Fe²⁺，Cu²⁺+2e^-=Cu，銅電極增加3.2g，即0.05mol，同時鐵電極原電池反應產生0.05molFe²⁺，即鐵電極減少56g/mol×0.05
mol=2.8g，但是鐵片只減少了2.4g，因為鐵片有一部分直接發生置換反應，有銅生成，所以質量增加了，這部分鐵的化學能沒有轉化為電能，所以有2.8g-2.4g=0.4g的質量差，設有xmol鐵直接參與置換反應，
Cu²⁺+Fe=Cu+Fe²⁺△m
       1mol 64         8
         x               0.4
計算得x=0.05mol，即直接發生置換反應的鐵為0.05mol，參與原電池反應的鐵也是0.05mol，所以該裝置消耗化學能有50%轉化為電能，故答案為：50；
（3）鹽橋原電池中，金屬電極插入含有該電極金屬陽離子的鹽溶液中，所以硫酸銅溶液應該注入右側燒杯中，若2min內鐵片減少了5.6g，該段時間內用亞鐵離子表示的平均反應速率v=$\frac{\frac{\frac{5.6g}{56g/mol}}{0.5L}}{2min}$=0.1mol•L^-1•min^-1，則中間U形管中K⁺的流速是0.1mol/min，故答案為：右；0.1；
（4）鐵電極發生的反應為：Fe-2e^-→Fe²⁺，正極上是銅離子得電子，電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu，設轉移電子為n，則鐵質量減少28n，Cu電極質量增加32n，鐵片和銅片之間的質量差為28n+32n=60n=0.6g，所以n=0.01，故答案為：0.01．

點評 本題考查學生原電池的工作原理，學生要學會應用差量法在電極反應計算中的運用，綜合性強，難度較大．