Question

15．目前污水處理廠用新型高效絮凝劑堿式硫酸鐵[Fe（OH）SO₄]來(lái)處理水中的懸浮顆粒物，采用微生物燃料電池使水中的有機(jī)物變成二氧化碳，從而使污水得到凈化．
I．工業(yè)上利用廢鐵屑（含少量氧化鋁、氧化鐵等）生產(chǎn)堿式硫酸鐵的工藝流程如圖1：

已知：25℃時(shí)部分陽(yáng)離子以氫氧化物形式沉淀時(shí)溶液的pH見(jiàn)表：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Al（OH）3
開始沉淀	2.3	7.5	3.4
完全沉淀	3.2	9.0	4.4

回答下列問(wèn)題：
（1）加入少量NaHCO₃的目的是調(diào)節(jié)pH在4.4-7.5范圍內(nèi)，使溶液中Al ³⁺沉淀．
（2）若沉淀完全時(shí)溶液中金屬離子濃度為1.0×10^-5mol/L，則K_sp[Fe（OH）₂]=1.0×10^-15．
（3）在實(shí)際生產(chǎn)中，反應(yīng)②常同時(shí)通入O₂以減少NaNO₂的用量，若標(biāo)況下有33.6L O₂參與反應(yīng)，則相當(dāng)于節(jié)約NaNO₂的物質(zhì)的量為6mol．
（4）該生產(chǎn)堿式硫酸鐵的工藝過(guò)程中存在的明顯缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，會(huì)造成大氣污染．
II．微生物燃料電池是以微生物作催化劑，以有機(jī)污水為燃料，將有機(jī)污水中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的一種裝置．
（5）重慶大學(xué)研究出一種微生物燃料電池，可以將污水中的CH₃COO^-處理掉，
其總反應(yīng)為：2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄，寫出該微生物
燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)式CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺．
（6）以葡萄糖為燃料的微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖2：
①關(guān)于該電池的敘述，正確的有BD
A．電池的正極反應(yīng)為：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-
B．在電池反應(yīng)中，每消耗90克葡萄糖，經(jīng)外電路通過(guò)的電子數(shù)為12N_A
C．該電池能夠在高溫下工作
D．放電過(guò)程中，H⁺從負(fù)極區(qū)向正極區(qū)遷移
②化學(xué)需氧量（COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)，其數(shù)值表示將1L水中的有機(jī)物氧化為CO₂、H₂O所需消耗的氧氣的質(zhì)量．利用微生物燃料電池來(lái)處理某些污水并進(jìn)行發(fā)電，如果1L廢水中有機(jī)物（折算成葡萄糖）氧化所提供的化學(xué)能低于5.6kJ，就沒(méi)有
發(fā)電的價(jià)值．則適合用微生物燃料電池發(fā)電的污水，其COD最低為384mg/L．
（已知葡萄糖的燃燒熱為2800kJ/mol）

Answer 1

分析 I．廢鐵屑中含少量氧化鋁、氧化鐵等，將過(guò)量廢鐵屑加入稀硫酸中，發(fā)生反應(yīng) Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，然后反應(yīng)I中加入NaHCO₃并攪拌，調(diào)節(jié)溶液的pH，發(fā)生反應(yīng)Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，所以濾渣中成分是Al（OH）₃，過(guò)濾得到硫酸亞鐵，向硫酸亞鐵溶液中加入稀硫酸和NaNO₂，酸性條件下，NaNO₂和FeSO₄發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成鐵離子、NO，將溶液蒸發(fā)濃縮、過(guò)濾得到堿式硫酸鐵，據(jù)此分析解答；
II．（5）在燃料電池2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄中是還原劑CH₃COOK在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式；
（6）①根據(jù)圖知，負(fù)極上C₆H₁₂O₆失電子，正極上O₂得電子和H⁺反應(yīng)生成水，負(fù)極的電極反應(yīng)式為C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂+24H⁺，正極的電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；
A．原電池正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，據(jù)此書寫電極反應(yīng)；
B．根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂↑+24H⁺，可計(jì)算出每消耗90克葡萄糖，經(jīng)外電路通過(guò)的電子數(shù)，并判斷；
C．從蛋白質(zhì)的性質(zhì)：高溫下會(huì)變性分析；
D．原電池中，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)；
②化學(xué)需氧量（COD）是重要的水質(zhì)指標(biāo)，其數(shù)值表示將1L水中的有機(jī)物氧化為CO₂、H₂O時(shí)所需消耗的氧氣的質(zhì)量，依據(jù)化學(xué)需氧量含義計(jì)算有機(jī)物被氧化提供的化學(xué)能結(jié)合葡萄糖的氧化反應(yīng)的熱化學(xué)方程式計(jì)算需氧量；

解答 解：廢鐵屑中含少量氧化鋁、氧化鐵等，將過(guò)量廢鐵屑加入稀硫酸中，發(fā)生反應(yīng) Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，然后反應(yīng)I中加入NaHCO₃并攪拌，調(diào)節(jié)溶液的pH，發(fā)生反應(yīng)Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，所以濾渣中成分是Al（OH）₃，過(guò)濾得到硫酸亞鐵，向硫酸亞鐵溶液中加入稀硫酸和NaNO₂，酸性條件下，NaNO₂和FeSO₄發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成鐵離子、NO，將溶液蒸發(fā)濃縮、過(guò)濾得到堿式硫酸鐵，
（1）根據(jù)氫氧化物沉淀需要的pH知，在pH在4.4-7.5之間將鋁離子轉(zhuǎn)化為Al（OH）₃沉淀，而亞鐵離子不能生成沉淀，所以條件溶液的pH范圍為4.4-7.5之間，
故答案為：4.4-7.5；Al ³⁺；
（2）因?yàn)闅溲趸瘉嗚F沉淀完全時(shí)pH值為9，所以若沉淀完全時(shí)溶液中金屬離子濃度為1.0×10^-5mol/L，則K_sp[Fe（OH）₂]=1.0×10^-5×（10^-14+9）²=1.0×10^-15，
故答案為：1.0×10^-15；
（3）根據(jù)電子得失守恒可知，通入O₂相當(dāng)于NaNO₂的用量的關(guān)系為O₂～4NaNO₂，若標(biāo)況下有33.6L O₂即為1.5mol參與反應(yīng)，則相當(dāng)于節(jié)約NaNO₂的物質(zhì)的量為6mol，
故答案為：6mol；
（4）該生產(chǎn)堿式硫酸鐵的工藝過(guò)程中，由于用亞硝酸鹽氧化亞鐵離子會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，所以會(huì)造成大氣污染，所以存在的明顯缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，會(huì)造成大氣污染，
故答案為：會(huì)產(chǎn)生一氧化氮，會(huì)造成大氣污染；
II．（5）在燃料電池2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄中是還原劑CH₃COOK在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO₂，所以負(fù)極電極反應(yīng)式為CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺，
故答案為：CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺；
（6）①A．原電池正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，故A錯(cuò)誤；
B．根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂↑+24H⁺，可知每消耗90克葡萄糖，經(jīng)外電路通過(guò)的電子數(shù)為12N_A，故B正確；
C．高溫條件下微生物會(huì)變性，該電池不能夠在高溫下工作，故C錯(cuò)誤；
D．通過(guò)原電池的電極反應(yīng)可知，負(fù)極區(qū)產(chǎn)生了H⁺，根據(jù)原電池中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，可知質(zhì)子（H⁺）通過(guò)交換膜從負(fù)極區(qū)移向正極區(qū)，故D正確；
故選BD；
②依據(jù)題意寫出葡萄糖氧化分解的熱化學(xué)方程式為C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）═6CO₂（g）+6H₂O（l）△H=-2800kJ/mol，則1L廢水中有機(jī)物氧化提供的化學(xué)能等于5.6kJ時(shí)所需引起氧氣的質(zhì)量變化量m（O₂）=$\frac{32g/mol×6×5.6kJ}{2800kJ/mol}$=0.384g，相當(dāng)于384mg，即其COD最低為 384mg/L，
故答案為：384．

點(diǎn)評(píng) 本題考查物質(zhì)的分離和提純及電化學(xué)知識(shí)、化學(xué)計(jì)算等，側(cè)重考查學(xué)生獲取信息及利用信息能力、分析能力、實(shí)驗(yàn)操作能力以及計(jì)算能力，注意題給信息的靈活運(yùn)用及守恒思想的運(yùn)用，題目難度中等．