Question

【題目】電浮選凝聚法是工業(yè)上采用的一種污水處理方法：保持污水的pH在5.0～6.0，通過電解生成Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3有吸附性，可吸附污物而沉積下來，具有凈化水的作用。陰極產(chǎn)生的氣泡把污水中懸浮物帶到水面形成浮渣層，棄去浮渣層，即起到了浮選凈化的作用。某科研小組用電浮選凝聚法處理污水，設(shè)計(jì)的裝置示意圖如圖1所示。

回答下列問題：

（1）電解過程中，電解池陰極的電極反應(yīng)式為______；控制電流，可使電解池陽極同時(shí)發(fā)生兩個(gè)電極反應(yīng)：其中一個(gè)為2H2O -4e－ === O2↑+ 4H+，另一個(gè)電極反應(yīng)式為______。

（2）電解池溶液中得到Fe(OH)3沉淀的離子方程式為______。

（3）某熔融鹽燃料電池以熔融的多種堿金屬碳酸鹽混合物為電解質(zhì)，CH4為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極，如圖2。若該熔融鹽燃料電池為電浮選凝聚法的電解電源，則：

①正極的電極反應(yīng)式為______；

②為了使該燃料電池長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定。為此電池工作時(shí)必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)。則A物質(zhì)的化學(xué)式是______。

③實(shí)驗(yàn)過程中，若在陰極產(chǎn)生了44.8L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）氣體，則熔融鹽燃料電池理論上消耗CH4______L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）。

Answer 1

【答案】2H+ - 2e- === H2↑ Fe-2e- ===Fe2+ 4Fe2+ + 10H2O + O2 === 4Fe(OH)3↓ + 8H+ O2 + 2CO2 + 4e- ===2CO32-（或2O2 + 4CO2 + 8e- === 4CO32-） CO2 11.2

【解析】

（1）由裝置示意圖可知，C電極與電源負(fù)極相連，為電解池的陰極，F(xiàn)e電極與電源正極相連，為電解池的陽極；

（2）陽極Fe失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+，pH在5.0～6.0時(shí)，F(xiàn)e2+能被氧氣氧化生成Fe（OH）3紅褐色沉淀；

（3）燃料電池中，正極發(fā)生的反應(yīng)是氧氣得電子被還原的過程，負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是燃料失電子被氧化的過程；電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，可以循環(huán)利用的物質(zhì)只有二氧化碳。

（1）由電浮選凝聚法處理污水的裝置示意圖可知，C電極與電源負(fù)極相連，為電解池的陰極，氫離子在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣，電極反應(yīng)式為2H+ - 2e- =H2↑；Fe電極與電源正極相連，為電解池的陽極，活性電極Fe失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+，電極反應(yīng)式為Fe-2e- =Fe2+，同時(shí)水在陽極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成氧氣，電極反應(yīng)式為2H2O -4e－ =O2↑+ 4H+，故答案為：2H+ - 2e- =H2↑；Fe-2e- =Fe2+；

（2）陽極Fe失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成Fe2+，pH在5.0～6.0時(shí)，F(xiàn)e2+能被氧氣氧化生成Fe(OH)3紅褐色沉淀，反應(yīng)的離子方程式可表示為4Fe2++10H2O+O2＝4Fe(OH)3↓+8H+，故答案為：4Fe2++10H2O+O2＝4Fe(OH)3↓+8H+；

（3）①燃料電池工作時(shí)，在熔融碳酸鹽中氧氣在正極上得電子發(fā)生還原反應(yīng)生成CO32-，電極反應(yīng)式為O2 +2CO2 +4e- =2CO32-，故答案為：O2 +2CO2 +4e- =2CO32-；

②燃料電池工作時(shí)，在熔融碳酸鹽中甲烷在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，電極反應(yīng)式為CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O，由負(fù)極反應(yīng)式可知，A為CO2，故答案為：CO2；

③實(shí)驗(yàn)過程中，陰極產(chǎn)生的氣體為H2，標(biāo)準(zhǔn)狀況下44.8L H2的物質(zhì)的量為2mol，由得失電子數(shù)目守恒可知，熔融鹽燃料電池理論上消耗CH4的物質(zhì)的量為=0.5mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況下CH4的體積為0.5mol×22.4L/mol=11.2L，故答案為：11.2。