Question

19．二氧化氯（ClO₂）是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的高效、廣譜、快速、安全無(wú)毒的殺菌消毒劑，被稱為“第4代消毒劑”．工業(yè)上可采用氯酸鈉（NaClO₃）或亞氯酸鈉（NaClO₂）為原料制備ClO₂．
（1）亞氯酸鈉也是一種性能優(yōu)良的漂白劑，但在強(qiáng)酸性溶液中會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，產(chǎn)生ClO₂氣體，離子方程式為5ClO₂^-+4H⁺=4ClO₂↑+Cl^-+2H₂O．向亞氯酸鈉溶液中加入鹽酸，反應(yīng)劇烈．若將鹽酸改為相同pH的硫酸，開(kāi)始時(shí)反應(yīng)緩慢，稍后一段時(shí)間產(chǎn)生氣體速率迅速加快．產(chǎn)生氣體速率迅速加快的原因是反應(yīng)生成的Cl^-對(duì)反應(yīng)起催化作用．
（2）化學(xué)法可采用鹽酸或雙氧水還原氯酸鈉制備ClO₂．用H₂O₂作還原劑制備的ClO₂更適合用于飲用水的消毒，其主要原因是H₂O₂作還原劑時(shí)氧化產(chǎn)物為O₂，而鹽酸作還原劑時(shí)產(chǎn)生大量Cl₂．
（3）電解法是目前研究最為熱門的生產(chǎn)ClO₂的方法之一．如圖所示為直接電解氯酸鈉、自動(dòng)催化循環(huán)制備高純ClO₂的實(shí)驗(yàn)．
①電源負(fù)極為A極（填A(yù)或B）．
②寫出陰極室發(fā)生反應(yīng)依次為ClO₂+e^-=ClO₂^-、ClO₃^-+ClO₂^-+2H⁺=2ClO₂↑+H₂O．
③控制電解液H⁺不低于5mol/L，可有效防止因H⁺濃度降低而導(dǎo)致的ClO₂^-歧化反應(yīng)．若兩極共收集到氣體22.4L（體積已折算為標(biāo)準(zhǔn)狀況，忽略電解液體積的變化和ClO₂氣體溶解的部分），此時(shí)陽(yáng)極室與陰極室c（H⁺）之差為0.8mol/L．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)物為亞氯酸鈉，所在環(huán)境為酸性環(huán)境，生成物為ClO₂氣體，且知此反應(yīng)為歧化反應(yīng)，據(jù)此書寫離子反應(yīng)方程式即可；改加pH相同的硫酸，氫離子濃度不變，應(yīng)考慮氯離子的影響；
（2）H₂O₂作還原劑時(shí)氧化產(chǎn)物為O₂，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染；
（3）①與電源負(fù)極相連的一極為陽(yáng)極，溶液中的陽(yáng)離子在此電極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)；
②陰極室中電極A上發(fā)生反應(yīng)ClO₂+e^-=ClO₂^-，生成的ClO₂^-與溶液中的ClO₃^-結(jié)合生成ClO₂；
③電解池中陰極得到的電子數(shù)等于陽(yáng)極失去的電子數(shù)，根據(jù)陽(yáng)極室發(fā)生反應(yīng)：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極發(fā)生：ClO₂+e^-=ClO₂^-；ClO₃^-+ClO₂^-+2H⁺=2ClO₂↑+H₂O，結(jié)合電極方程式計(jì)算．

解答 解：（1）亞氯酸鈉在強(qiáng)酸性溶液中會(huì)發(fā)生歧化反應(yīng)，產(chǎn)生ClO₂氣體，故化合價(jià)由+3價(jià)升高到+4價(jià)，故部分氯離子降低為-1價(jià)，離子反應(yīng)方程式為：5ClO₂^-+4H⁺=4ClO₂↑+Cl^-+2H₂O，反應(yīng)開(kāi)始時(shí)，溶液中氯離子濃度很小，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中氯離子濃度增大，反應(yīng)速率加快，可見(jiàn)氯離子起催化作用，
故答案為：5ClO₂^-+4H⁺=4ClO₂↑+Cl^-+2H₂O；反應(yīng)生成的Cl^-對(duì)反應(yīng)起催化作用；
（2）還可采用鹽酸或雙氧水還原氯酸鈉制備ClO₂，用H₂O₂作還原劑制備ClO₂更受歡迎，其主要原因是H₂O₂作還原劑時(shí)氧化產(chǎn)物為O₂，而鹽酸作還原劑時(shí)產(chǎn)生大量Cl₂，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，
故答案為：H₂O₂作還原劑時(shí)氧化產(chǎn)物為O₂，而鹽酸作還原劑時(shí)產(chǎn)生大量Cl₂；
（3）①由圖可知，ClO₂在電極A上得到1個(gè)電子，生成ClO₂^-，故A應(yīng)為電源的負(fù)極，
故答案為：A；
②陰極室中電極A上發(fā)生反應(yīng)ClO₂+e^-=ClO₂^-，生成的ClO₂^-與溶液中的ClO₃^-結(jié)合生成ClO₂，離子反應(yīng)方程式為：ClO₃^-+ClO₂^-+2H⁺=2ClO₂↑+H₂O，
故答案為：ClO₂+e^-=ClO₂^-、ClO₃^-+ClO₂^-+2H⁺=2ClO₂↑+H₂O；
③在電解池的整個(gè)閉合回路中陰極得到的電子數(shù)等于陽(yáng)極失去的電子數(shù)，在陽(yáng)極室發(fā)生反應(yīng)：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O產(chǎn)生1mol的O₂，轉(zhuǎn)移4mold電子，陰極室的反應(yīng)：ClO₂+e^-=ClO₂^-；ClO₃^-+ClO₂^-+2H⁺=2ClO₂↑+H₂O，總反應(yīng)為：4ClO₃^-+4e^-+8H⁺=4ClO₂↑+4H₂O，轉(zhuǎn)移4mol電子時(shí)，最終產(chǎn)生4mol的ClO₂，共產(chǎn)生氣體1mol+4mol=5mol，現(xiàn)在兩極共收集到氣體22.4L（體積已折算為標(biāo)準(zhǔn)狀況，忽略電解液體積的變化和ClO₂氣體溶解的部分），產(chǎn)生氣體的物質(zhì)的量為1mol，所以轉(zhuǎn)移電子0.8mol，在陽(yáng)極有0.8mol的OH^-離子放電，因?yàn)槿芤旱捏w積為1L，所以此時(shí)陽(yáng)極室與陰極室c（H⁺）之差為0.8mol/L，
故答案為：0.8mol/L．

點(diǎn)評(píng) 本題以氯及其化合物的性質(zhì)考查氧化還原反應(yīng)及物質(zhì)的制備實(shí)驗(yàn)，把握習(xí)題中的信息及知識(shí)遷移應(yīng)用為解答的關(guān)鍵，側(cè)重學(xué)生綜合應(yīng)用能力及信息抽取和分析能力的考查，題目難度中等．