Question

18．某種鉛酸蓄電池具有廉價(jià)、長(zhǎng)壽命、大容量的特點(diǎn)，它使用的電解質(zhì)是可溶性的甲基磺酸鉛，電池的工作原理：Pb（s）+PbO₂（s）+2H₂SO₄（aq）$?_{充電}^{放電}$2PbSO₄（s）+2H₂O（l）
（1）鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉等；放電時(shí)，Pb電極質(zhì)量將增大（填“增大”、“減小”）充電時(shí)，PbO₂電極應(yīng)該連接在外接電源的正極（填“正極”或“負(fù)極”），該電極反應(yīng)式為：PbSO₄（s）+2H₂O（l）-2e^-=PbO₂（s）+4H⁺（aq）+SO₄^2-（aq）
（2）工業(yè)用PbO₂來制備KClO₄的工業(yè)流程如下：

①KNO₃、KClO₄、NaClO₄、NaNO₃中，溶解度較小的是KClO₄．
②寫出NaClO₃與PbO₂反應(yīng)的離子方程式為PbO₂+ClO₃^-+2H⁺=Pb²⁺+ClO₄^-+H₂O．
（3）已知PbO₂可隨溫度升高逐步分解得到固體物質(zhì)Pb₂O₃、Pb₃O₄或PbO，稱取23.9gPbO₂，其受熱分解過程中各物質(zhì)的質(zhì)量隨溫度的變化如圖所示．若在某溫度下測(cè)得剩余固體的質(zhì)量為22.94g，則該溫度下PbO₂分解所得固體產(chǎn)物的組成為Pb₂O₃和Pb₃O₄（寫化學(xué)式）．
（4）根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算22.94g剩余固體中各組分的物質(zhì)的量之比1：1．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)鉛蓄電池的特點(diǎn)可知，鉛蓄電池電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉，依據(jù)電池反應(yīng)，放電過程是原電池反應(yīng)，Pb電極做負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)；充電過程是電解池，PbO₂電極做電解池陽(yáng)極；
（2）工業(yè)用PbO₂來制備KClO₄，是在酸性條件下用PbO₂將NaClO₃氧化成NaClO₄，過濾得含有NaClO₄的溶液中加入硝酸鉀，經(jīng)結(jié)晶可得KClO晶體，
①根據(jù)溶液中溶解度小的物質(zhì)先析出，結(jié)合復(fù)分解反應(yīng)的條件可判斷溶解度較小的物質(zhì)；
②NaClO₃與PbO₂反應(yīng)，+4價(jià)的鉛能將氯酸根氧化成高氯酸根，根據(jù)電荷守恒和元素守恒書寫離子方程式；
（3）依據(jù)圖象分析，可計(jì)算出A點(diǎn)和B點(diǎn)中鉛和氧的物質(zhì)的量之比，進(jìn)而確定兩個(gè)點(diǎn)的物質(zhì)組成，剩余固體的質(zhì)量為22.94g時(shí)，介于AB之間，據(jù)此判斷；
（4）根據(jù)（3）中的計(jì)算，運(yùn)用元素守恒可計(jì)算出各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比．

解答 解：（1）根據(jù)鉛蓄電池的特點(diǎn)可知，鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉等，放電過程是原電池反應(yīng)，Pb電極做負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為Pb-2e^-+SO₄^2-=PbSO₄，生成的硫酸鉛附著在鉛電極上，所以其質(zhì)量增加，充電過程是電解池，PbO₂電極做電解池陽(yáng)極，所以要與電源的正極相連，電極反應(yīng)式為 PbSO₄（s）+2H₂O（l）-2e^-=PbO₂（s）+4H⁺（aq）+SO₄^2-（aq），
故答案為：電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉等；增大；正極； PbSO₄（s）+2H₂O（l）-2e^-=PbO₂（s）+4H⁺（aq）+SO₄^2-（aq）；
（2）①根據(jù)題中流程可知，KNO₃和NaClO₄反應(yīng)能生成KClO₄和NaNO₃，結(jié)晶后得到KClO₄，可推知KClO₄的溶解度較小，
故答案為：KClO₄；
②依據(jù)流程分析，二氧化鉛是氧化劑把氯酸鉀氧化為高氯酸鉀，鉛元素化合價(jià)降低為二價(jià)，反應(yīng)在酸性溶液中進(jìn)行，反應(yīng)的離子方程式為：PbO₂+ClO₃^-+2H⁺=Pb²⁺+ClO₄^-+H₂O，
故答案為：PbO₂+ClO₃^-+2H⁺=Pb²⁺+ClO₄^-+H₂O；
（3）23.9gPbO₂物質(zhì)的量=$\frac{23.9g}{239g/mol}$=0.1mol，其中氧原子為0.2mol，圖象中A點(diǎn)固體質(zhì)量減少=23.9g-23，1g=0.8g，減少的是氧元素質(zhì)量為0.05mol，所以剩余氧原子物質(zhì)的量=0.2mol-0.05mol=0.15mol，剩余鉛和氧原子物質(zhì)的量之比=0.1mol：0.15mol=2：3，對(duì)應(yīng)A點(diǎn)位置為Pb₂O₃；B點(diǎn)固體減少=23.9g-22.83g=1.07g，減少的氧原子物質(zhì)的量=$\frac{1.07g}{16g/mol}$=0.07mol，剩余氧原子物質(zhì)的量=0.2mol-0.07mol=0.13mol，反應(yīng)剩余鉛和氧原子物質(zhì)的量之比=0.1mol：0.13mol≈3：4，剩余固體22.94g，介于AB之間，所以固體是Pb₂O₃和Pb₃O₄ 的混合物，
故答案為：Pb₂O₃和Pb₃O₄；
（4）由（3）的計(jì)算可知，固體是Pb₂O₃和Pb₃O₄ 的混合物，設(shè)Pb₂O₃物質(zhì)的量為x，Pb₃O₄ 物質(zhì)的量為y，
得到2x+3y=0.1、3x+4y=0.2-$\frac{23.9-22.94}{16}$=0.14，
解得：x=y=0.02，
物質(zhì)的量之比為1：1；
故答案為：1：1．

點(diǎn)評(píng) 本題以PbO₂為情景設(shè)計(jì)考查原電池原理的應(yīng)用，反應(yīng)流程分析判斷，有關(guān)圖象分析和元素守恒的計(jì)算是解題關(guān)鍵，題目難度較大．