大学化学课后习题答案第四章.docx
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大学化学课后习题答案第四章
第四章电化学与金属腐蚀
1•是非题(对的在括号内填“+”错的填号)
(1)取两根铜棒,将一根插入盛有O.lmol•-dmuSO4溶液的烧杯中,另一根插入盛有1mol•dm3CuSO4溶液的烧杯中,并用盐桥将两只烧杯中的溶液连结起来,可以组成一个浓差原电池。
()
(2)金属铁可以置换Cu2+,因此三氯化铁不能与金属铜反应。
()
(3)电动势E或电极电势©)的数值与反应式(或半反应式)的写法无关,而标准平衡常数Q的数据,随反应式的写法(即化学计量数不同)而变。
()
(4)钢铁在大气的中性或弱酸性水膜中主要发生吸氧腐蚀,只有在酸性较强的水膜中才主要发生析氢腐蚀。
()
(5)有下列原电池
(-)Cd|CdSO4(1.0mol--3fl|CuSO4(1.0mol--3flCiu(+)
若往CdSO4溶液中加入少量NazS溶液,或往CuSO4溶液中加入少
量CuSO4•5O晶体,都会使原电池的电动势变小。
()
解:
(1)+;
(2)-;(3)+;(4)+;(5)-o
2•选择题(将所有正确答案的标号填入空格内)
(1)在标准条件下,下列反应均向正方向进行:
CaO72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O
2Fe3++Sn2+=2Fe2++Sn4+
它们中间最强的氧化剂和最强的还原剂是
(a)Sn2+和Fe3+(b)Cr2O72-和Sn2+
(c)C严和Sn4+(d)C「2O72-和Fe3+
(2)有一个原电池由两个氢电极组成,其中有一个是标准氢电极,为了得到最大的电动势,另一个电极浸入的酸性溶液[设p(H2)=100kPa]应为
(a)0.1mol--3Hmi(b)0.1mol-3HAc+0.1mol-1NLAc
(c)0.1mol-3Hdm(d)0.1mol-3HdPO4
⑶在下列电池反应中
Ni(s)+Cu2+(aq)—2N(1.0mol--3d+Cu(s)
当该原电池的电动势为零时,Cu2+浓度为
(a)5.05^7mbl-d3m(b)5.71^mStol-d?
n
(c)7.10丈4rtrfibl-dm(d)7.56^lmol-d?
n
(4)电镀工艺是将欲镀零件作为电解池的();阳极氧化是将需处
理的部件作为电解池的()。
⑻阴极(b)阳极(c)任意一个极
解:
(1)b;
(2)b;(3)b;(4)a,b。
3.填空题
(1)有一种含Cl-、Br-和I-的溶液,要使I-被氧化而Cl-、Br-不被氧化,则在常用的氧化剂
(a)KMnO4酸性溶液,(bj&ChO?
酸性溶液,(c)氯水和(d)Fe2(SO4)3溶液中应选()为最适宜。
⑵有下列原电池
(-)pt|Fe2+(1mol-md)Fe3+(0.01mol•-3d|fie2+(1mol•%m,
Fe3+(1mol•-3)|Pt(+)该原电池的负极反应为(),正极反应
为()。
(3)电解含有下列金属离子的盐类水溶液:
Li+、Na+、K+、Zn2+、
Ca2+、
Ba2+、Ag+。
()能被还原成金属单质;()不能被还原成金属单质解:
(1)d
(2)Fe2+=Fe3++e-;Fe3++e-=Fe2+
(3)Zn2+、Ag+;Li+、Na+、K+、Ca2+、Ba2+
4•写出下列化学方程式的氧化反应及还原反应的半反应式(须配平)。
(1)Zn+Fe2+=Zn2++Fe
⑵2l-+2Fe3+=l2+2Fe2+
(3)Ni+Sn4+=Ni2++Sn2+
(4)5Fe2++8H++MnO4-=Mn2++5Fe3++4H2O
解:
(1)负极Zn(s)=Zn2+(aq)+2e-
正极Fe2+(aq)+2e-=Fe(s)
(2)负极2I-(aq)=I2(s)+2e-
正极Fe3+(aq)+e-=Fe2+(aq)
(3)负极Ni(s)=Ni2+(aq)+2e-
正极Sn4+(aq)+2e-=Sn2+(aq)
(4)负极Fe2+(aq)=Fe3+(aq)+e-
正极MnO4-(aq)+8H+(aq)+5e-=Mn2+(aq)+4H2O(l)
5•将上题各氧化还原反应组成原电池,分别用图式表示各原电池
解:
(1)(-)Zn|Zn2+||Fe2+|Fe(+)
⑵(-)Pt|I2I「||Fe2+,Fe3+|Pt(+)
(3)(-)Ni|Ni2+||Sn2+,Sn4+|Pt(+)
⑷(-)Pt|Fe2+,Fe3+||Mn2+,MnO4-,H+|Pt(+)
6•参见标准电极电势表,分别选择一种合适的氧化剂,能够氧化:
(1)C「
成CI2;
(2)Pb成Pb2+;(3)Fe2+成Fe3+。
再分别选择一种合适的还原剂,能够还原:
(a)Fe2+成Fe;(b)Ag+成Ag;(c)NO2-成NO。
解:
合适的氧化剂为
(1)酸化的MnO4-
(2)HNO3(3)Cb
合适的还原剂为
(1)Zn
(2)Sn2+(3)「
[本题非唯一答案,凡合理的其他答案均可。
]
(1)当
(1)c(Sn2+)=0.0100mol•,dm(Pb2+)=1.00mol・-3时!
故以锡电极作原电池负极,铅电极作正极。
原电池图式为:
(-)Sn|Sn2+(0.0100mol-d3mIIPb2+(1.00mol-d3m
IPb(+)
正极反应:
Pb2++2e-=Pb
负极反应:
Sn+2e-=Sn2++2e-
电池总反应:
Pb2++Sn二Pb+Sn2+
原电池电动势:
E=®+—貰
=®(Pb2+/Pb)—(Sn2+/Sn)
二^0.1262V-(0.197V)
=0.071V
(2)当c(Sn2+)=1.00mol・-3dnc(Pb2+)=0.100mol・-3时m
®(Sn2+/Sn)=®°(Sn2+/Sn)=-0.1375V
m2+茁O'z2+,z、0.05917V2+口
(Pb2/Pb)=(Pb/Pb)十lg{c(Pb2)/c*
n
=-0.156V
此时以铅电极为原电池负极,锡电极为正极
原电池图式为:
(-)Pb|Pb2+(0.100mol-d3n||Sn2+(1.00mol-d3n
ISn(+)
正极反应:
Sn2++2e-=Sn
负极反应:
Pb=Pb2++2e-
电池总反应:
Pb+Sn2+=Pb2++Sn
=-0.1375V-(0.156V)
=0.019V
8.求反应Zn+Fe2+(aq)=Zn2+(aq)+Fe在298.15K时的标准平衡常
数。
若将过量极细的锌粉加入尸62+溶液中,求平衡时Fe2+(aq)浓度对
Zn2+(aq)浓度的比值?
解:
Zn+Fe2+(aq)=Zn2+(aq)+Fe
E=®+_®=(p(Fe2+/Fe)—6(Zn2+/Zn)
=-0.447V-(7618V)
=0.315V
nE0
lgK0二一nE=2X0.315V/0.05917V=10.
0.05917V
eq/^72""K日
=4.4X100
K0=cq(Zn)c
K=eq/^2弋日c(Fe)c
故ceq(Fe2+)/ceq(Zn2+)=2.3X10,反应进行得相当完
全。
9.将下列反应组成原电池(温度为298.15K):
2l-(aq)+2Fe3+(aq)=I2(s)+2Fe2+(aq)
(1)计算原电池的标准电动势;
(2)计算反应的标准摩尔吉布斯函数变;
(3)用图式表示原电池;⑷计算c(l-)=1.0x-2imol•dm以及c(Fe3+)二c(Fe2+)/10时,原电池的电动势解:
(1)查阅教材附录10可知:
"(Fe3/Fe2)=0.771V,
"(I?
/1-)=0.5355V
E0二椒+_皤二般(Fe3+/Fe2+)—jl?
/1-)=0.771V-0.5355V=0.236V
(2)ArGfri(298K)=-nFE0=-2X96485C.mOIX0.236V二-45.5
kJ.mol-1
(3)原电池图式:
(-)Pt|12I「||Fe3+,Fe2+|Pt(+)
][c(Fe2斗)/訓2
g[c(I-)/c?
]2[c(Fe3)/^]2
=0.236VTg102心.0X-)2=0.058V
10.当pH=5.00,除H+(aq)离子外,其余有关物质均处于标准条件下时,
下列反应能否自发进行?
试通过计算说明之
2MnO4-(aq)+16H+(aq)+10CI-=5CI2(g)+5Mn2+(aq)+8H20
(1)
解:
由反应2MnO4-
(aq)+16H+(aq)+10CI-=5CI2(g)+5Mn2+(aq)+8H2。
(1)组成原电池
正极:
MnO4-(aq)+8H+(aq)+5e-=Mn2+(aq)+4H2OQ)
负极:
2C「(aq)=Cl2(g)+2e-
当pH=5.00,其他有关物质均处于标准条件时:
@(MnO「Mn2+)K轴。
厂/Mn?
*)+。
曲^g[c(Mn。
厂)/炸c(「/川
5[c(Mn24)/cF
=1.5O7V+005|叫lg(10,)8
=1.033V
11.由镍电极和标准氢电极组成原电池。
若c(Ni2+)=0.0100mol•dm
时,
原电池的电动势为0.315V,其中镍为负极,计算镍电极的标准电极电势解:
E二①-①曲片=0-①Ni2严-(0.059/2)lgCNi2+=0.315
■H2'Ni/Ni
所以①血=-0.315-(0.059/2)lg0.01=-0.315+0.059=-0.256(V)
■Ni
12.由两个氢电极H2(101.325kPa)|H+(0.10mol・-3)附和
H2(101.325kPa)|H+(xmol-"d^Pt组成原电池,测得该原电池的电
动势为0.016V。
若后一电极作为该原电池的正极,问组成该电极的溶液中H+的浓度x值为多少?
屈刀不0.0.059]Ch+\,00.0592
解:
e=(Oh*+^^©才)-(①卄+^^lg(0.1)用0.016
/H2PH2-H22
E=^^IgCH++0.059^0.016
(1)Ag-+Fe2+Ag+Fe3+
①爲乍=0.799(V)①加=0.77(V)
Ag/Fe2+
E=0.799-0.77=0.022>0正向
(2)2Cr3++3l2++7H20^^Cr2O72-+6l-+14H+
①Cm=1.33(V)①;2/=0.54(V)
E=0.54-1.33=-0.79<0逆向
(3)Cu+2FeCl3^^CuCb+2FeCl2
①C严=0.34(V)①Fe3护丄=0.77(V)
/Cu/Fe2+
E=0.77-0.34=0.43>0正向
14•在pH=4.0时,下列反应能否自发进行?
试通过计算说明之(除
H+及0H-外,其他物质均处于标准条件下)。
(1)Cr2O72-(aq)+H+(aq)+Br-(aq)—B(l)+Cr3+(aq)+H2。
(1)
(2)MnO4-(aq)+H+(aq)+Cl-(aq)—2CJ)+Mn2+(aq)+H2O(l)
解:
pH=4.0及其他物质均处于标准条件下:
(1)反应Cr2O72-(aq)+H+(aq)+Br-(aq)—2B)+Cr3+(aq)+H20(l)
组成原电池:
正极:
C2O72-+H++6e-=Cr3++H2O
=0.680V
(Br2/BrJ二-(Br2/Br=1.066V
因@(62O72■/Cr34)<触Bq/BrJ,故正反应不能自发进行。
(2)
反应MnO4-
池:
正极:
MnO4-(aq)+8H+(aq)+5e-=Mn2+(aq)+4H2。
(1
负极:
2Cl-(aq)=Cl2(g)+2e-
=1.128V
(Cl2/Cl一)=PCI2/CI一)=1.358V
因(MnOJMn2+)<(Cl2/Cl~),故正反应不能自发进行。
15.计算下列反应的标准平衡常数和所组成的原电池的标准电动势
Fe3+(aq)+l-(aq)二Fe2+(aq)+1/2l2(s)又当等体积的2mol•dFe3+和
2mol•dm溶液混合后,会产生什么现象?
K0=9.8X103
当两溶液等体积混合后,离子浓度均变为1mol•dm-3,据上述计算,E>0,反应正向进行,溶液由浅黄色转变为棕黄色,并(或)有紫黑色碘沉淀析出。
16.由标准钻电极(Co2+和Co组成)与标准氯电极组成原电池,测得
其电动势为1.64V,此时钻电极为负极。
已知jq(Cl2/Cl-)=1.36V,问:
(1)标准钻电极的电极电势为多少(不查表)?
(2)此电池反应的方向如何?
(3)当氯气的压力增大或减小时,原电池的电动势将发生怎样的变化?
⑷当Co2+的浓度降低到O.OIOmol•dr-?
时,原电池的电动势将如何
化?
数值是多少?
解:
(1)依题意钻电极为负极,氯电极为正极:
E0=陷卜日二輸Cl2/Cl])—(Co2+/Co)
1.64V=1.36V-"(Co2+/Co)
沪(Co2+/Co)=-0.28V
(2)原电池反应为:
Co+Cl2=Co2++2Cl
-
(3)/ni^S=-2+/c\・RTP(Cl2)/p
(3)彳(Cl2/Cl)=+(Co/Co)厂山—/0,2
nF[c(Cl)/c]
当P(CI2)增大时,$(CD/CI-)增大,原电池电动势E值增大;当p(CI2)减小时,@(Cl2/Cl|)减小,原电池电动势E减小。
(4)当c(Co2+)=0.010mol•d3fl寸
@(Co2+/Co)=皤Co2+/Co)+005|17Vlg{c(Co2+)/c0}
一noo\/0.05917V.cc’ccc八/
="0.28V+jig0.010=-0.34V
E二般(CD/Cl-)-°(Co2+/Co)=1.36V--.34V)=1.70V
17.从标准电极电势值分析下列反应向哪一方向进行?
MnO2(s)+2CI-(aq)+4H+(aq)=Mn2+(aq)+CI2(g)+2H2。
(1)
实验室中是根据什么原理,采取什么措施,利用上述反应制备氯气的?
解:
查阅教材附录10可知:
S(MnO2/Mn2+)=1.244V,
廉CI2/CI「=1.358V。
@|MnO2/Mn2+)v沪(C./CI-),故在标准状态
下,反应向左进行(正向非自发)。
然而,Mn。
?
的氧化性受介质酸度的影响较大。
从MnO2/Mn2+电对的半反应式MnO2G)+4H+(aq)+2e-=Mn2+(aq))+2H2O可以得出H+浓度对其电极电势的影响为:
@(MnO2/Mn2+)=N(MnO?
/”n2+)+巴In
nF[c(Mn)/丹
即©值随H+浓度的增大而增大,所以实验室用浓盐酸(如12
mol•dm与MnO2在加热条件下反应增加MnO?
的氧化性;与此同时,c(CI-)的增加及加热使p(Cb)降低,均使血(CI2/c|)减小,增加了CI-的还原性,使$(MnO2/Mn2+)>@(Cl2/CI-),反应正向进行。
此外,
加热可以使反应速率增加
18•用图式表示下列反应可能组成的原电池,并计算反应的标准平衡
常数。
Cu(s)+2Fe3+(aq)Cu2+(aq)+2Fe2+(aq)
解:
原电池图式为:
(-)Cu|Cu2+|Fe2+,Fe3+|Pt(+)
0.341)V/0.05917V=14.5
Ke=3X1014
19.为什么Cu+在水溶液中不稳定,容易发生歧化反应?
25°C时歧化反应的△「6°和川分别是多少?
[提示:
铜的歧化反应为2Cu+
(aq)=Cu2+(aq)+Cu(s)]
解:
歧化反应2Cu+(aq)=Cu2+(aq)+Cu(s)查阅教材附录10可知:
牛Cu+/Cu)=0.521V而®B(Cu2+/Cu+)得利用®%u+/Cu)与X(Cu2+/Cu)二0.3419V,通过计算而得:
1
所以
Ee二椒+]皤=*(Cu+/Cu)—9(Cu^/Cu+)=0.521V£.163V=0.358V>0
可见,C『在水溶液中是不稳定的,容易发生歧化反应。
△Gme=-FEe=-X96485C•mOlX0.358V=-34.5kJ•mOl
e=」_=aj.05
0.05917V0.05917V
Ke=1.12X106
20.用两极反应表示下列物质的主要电解产物
(1)电解NiS04溶液,阳极用镍,阴极用铁;
⑵电解熔融MgCI2,阳极用石墨,阴极用铁;
(3)电解KOH溶液,两极都用铂。
解:
(1)阳极:
Ni(s)=Ni2+(aq)+2e-
阴极:
Ni2+(aq)+2e-=Ni(s)
(2)阳极:
2CI-(aq)=Cl2(g)+2e-
阴极:
Mg2++2e-二Mg(s)
(3)阳极:
40H-(aq)=2H2。
(1)+02(g)+2e-
阴极:
2出0
(1)+2e-=2OH-(aq)+H2©
*21.电解镍盐溶液,其中c(Ni2+)=0.10mol--3dn如0果在阴极上只要
Ni
析出,而不析出氢气,计算溶液的最小pH值(设氢气在Ni上的超电势为0.21V)。
解:
电解镍盐溶液时,阴极可能发生的反应为:
i2+(aq)+2e-=Ni(s)
++2e-=H2
(Ni2/Ni)二宀(Ni2/Ni)+0.05917V
镍的析出电势:
2Igc(Ni2)c
=O257V+005严1go.1。
=-0.29V
氢的析出电势[P(H2)=Pe]:
(H/H2)="(H/H2)+0.05917V|g[c(H)c丫-(阴
=°.°592ZVlg[c(H*那-0.21V
=0.05917Vlgc(H+)-0.21V
为使氢气不断析出,需满足®(Ni2+/Ni)訣(H*/H2)
即:
-0.29V>{0.05917Vlgc(H+)£.21\
/}
贝S:
c(H+)0.044mol•dm
pH=-gc(H+)/ce》1g0.044=1.36
溶液的最小pH为1.36
22•分别写出铁在微酸性水膜中,与铁完全浸没在稀硫酸(1mol•-dm中发生腐蚀的两极反应式。
解:
铁在微酸性水膜中发生吸氧腐蚀,电极反应为:
阳极:
Fe(s)=Fe2+(aq)+2e-
阴极:
2哉0
(1)+02(g)+4e-=4OH
(aq)
铁浸没在稀硫酸中发生析氢腐蚀,电极反应为:
阳极:
Fe(s)=Fe2+(aq)+2e-
阴极:
2H+(aq)+2e-=H2(g)
*23.已知下列两个电对的标准电极电势如下:
Ag+(aq)+e-=Ag(s);©(Ag+/Ag)=0.7996V
AgBr(s)+e-=Ag(s)+Br-(aq);©((AgBr/Ag)=0.0730V
试从©值及能斯特方程式,计算AgBr的溶度积。
解:
若将两电极组成原电池:
(-)Ag|AgBr(s)|Br-(aq)||Ag+(aq)|Ag(+)电池总反应式为Ag+(aq)+Br-(aq)=AgBr(s)
该反应的平衡常数为
K0=1/[ceq(Ag+)/c°][ceq(Br-)/c°]=1/Ks(AgBr)
=1X(0.7996-0.0730)V/0.05917V=12.28
K0=1.9X1012
Ks(AgBr)=5.2X10-13
*23.银不能溶于1.0mol•Pn的HCI溶液,却可以溶于1.0mol•_3dm
HI溶液,试通过计算说明之。
[提示:
溶解反应为2Ag(s)+2H+(aq)+2l-
(aq)=2Agl(s)+H2(g),可从©(Ag+/Ag)及Ks0(Agl),求出
©(Agl/Ag),再判别。
]
解:
已知Ag+(aq)+e-=Ag(s),©0(Ag+/Ag)=0.799V,在1.0
mol•d?
n的HCI溶液中:
ceq(Ag+)=Ks(AgCI)/ceq(C「)=1.77x-110
mol•d?
n
此时©(Ag+/Ag)=©0(Ag+/Ag)+0.05917VIgc(Ag+)
1
=0.7990V+0.05917Vlg(1.77x-110
=0.222V
因为此条件下,叫h+/H2)v©(Ag+/Ag),所以银不溶于盐酸中
在1.0mol•dm的HI溶液中
此时
©(Ag+/Ag)二駅(Ag+/Ag)+0.05917Vlgc(A^)
1
=0.7990V+0.05917Vlg(8.51x-1i0
=-0.152V
因为此条件下,®(日十/出)>©(Ag+/Ag),所以银溶于HI溶液中。
25.氢气在锌电极上的超电势n与电极上通过的电流密度j(单位为
Acm-2)的关系为i]=0.72V+0.116Vlgj/(Acm-2)
在298K时,用Zn做阴极,惰性物质做阳极,电解液浓度为0.1
molkg-1的ZnSO4溶液,设pH为7.0.若要使出9)不与Zn同时析出,
应控制电流密度在什么范围内?
[提示:
注意分析超电势使氢电极电势增大还是减小。
]
解:
Zn做阴极,电解液浓度为0.1molkg-1(〜0.1mol•d3m
的ZnSO4溶液,阴极可能发生的反应为
Zn2++2e-=Zn2H++2e-=H2
Zn的析出电势:
=-0.7914V
氢的析出电势[p(H2)=P°]:
®(H切2)=*(H+/H2)+阿严lg[c(H+)/c°]2H(阴)=0.05917MS10-7■(阴)
=-0.4142V—朮阴)
为使出9)不与Zn同时析出,即Zn析出,出