Question

工業(yè)廢水中常含有一定量的Cr₂O₇^2-，會對人類及生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生很大損害，電解法是一種行之有效的除去鉻的方法之一．該法用Fe和石墨作電極電解含Cr₂O₇^2-的酸性廢水，最終將鉻轉(zhuǎn)化為Cr（OH）₃沉淀，達(dá)到凈化目的．某科研小組利用以上方法處理污水，設(shè)計了熔融鹽電池和污水電解裝置如圖所示．
（1）Fe電極為

 

（填“M”或“N”）；電解時

 

（填“能”或“不能”）否用Cu電極來代替Fe電極，理由是

 

．
（2）陽極附近溶液中，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是

 

；陰極附近的沉淀有

 

．
（3）圖中熔融鹽燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)、CH₄為燃料、空氣為氧化劑、稀土金屬材料為電極的新型電池．已知，該熔融鹽電池的負(fù)極的電極反應(yīng)是CH₄-8e^-+4CO₃^2-═5CO₂+2H₂O，則正極的電極反應(yīng)式為

 

．
（4）實驗過程中，若電解池陰極材料質(zhì)量不變，產(chǎn)生4.48L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）氣體時，熔融鹽燃料電池消耗CH₄的體積為

 

L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）．
（5）已知某含Cr₂O₇^2-的酸性工業(yè)廢水中鉻元素的含量為104.5mg?L^-1，處理后鉻元素最高允許排放濃度為0.5mg?L^-1．處理該廢水1 000m³并達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)至少消耗鐵的質(zhì)量為

 

kg．

Answer 1

考點：原電池和電解池的工作原理

專題：電化學(xué)專題

分析：（1）實驗原理：用Fe為電極進(jìn)行電解生成Fe²⁺，作為還原劑還原Cr₂O₇^2-；
（2）電解池的陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)電極反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)合溶液的環(huán)境來回答；
（3）燃料電池中，正極發(fā)生的反應(yīng)一定是氧氣得電子的過程；
（4）在燃料電池和電解池的串聯(lián)電路中，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)目是相同的；
（5）根據(jù)反應(yīng)方程式14H⁺+Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O計算即可．

解答： 解：（1）該實驗原理：用Fe為電極進(jìn)行電解生成Fe²⁺，作為還原劑還原Cr₂O₇^2-，所以金屬鐵是陽極，不能用Cu電極來代替Fe電極，因陽極產(chǎn)生的Cu²⁺不能還原Cr₂O₇^2-，故答案為：M；因陽極產(chǎn)生的Cu²⁺不能還原Cr₂O₇^2-；
（2）電解池的陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，陽極附近溶液中，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，根據(jù)陽離子移向陰極的原理，則陰極附近的沉淀有Cr（OH）₃、Fe（OH）₃，故答案為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；有Cr（OH）₃、Fe（OH）₃；
（3）①料電池中，正極反應(yīng)一定是氧氣的電子的過程，該電池的電解質(zhì)環(huán)境是熔融碳酸鹽，所以電極反應(yīng)為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-），故答案為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；        
（4）陰極的電極反應(yīng)為：2H⁺+2e^-=H₂↑，陰極產(chǎn)生了4.48L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）即2mol的氫氣產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.4mol，根據(jù)電池的負(fù)極電極反應(yīng)是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，當(dāng)轉(zhuǎn)移0.4mol電子時，消耗CH₄（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的物質(zhì)的量是0.05mol，其體積V=nVm=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，故答案為：1.12L．
（5）m（Cr）=1000×1000×（104.5-0.5）=1.04×10⁸mg=1.04×10⁵g．
則Cr的物質(zhì)的量是2×10³mol，設(shè)Fe為xmol．
14H⁺+Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺=6Fe³⁺+2Cr³⁺+7H₂O
                    6      2
                    x      2×10³mol
則

6

x

=

2

103mol×2

，解得x=6×10³mol，所以m（Fe）=n?M=336×10³g=336kg，故答案為：336．

點評：本題綜合考查了化學(xué)平衡原理、氧化還原反應(yīng)、和電化學(xué)知識等內(nèi)容，考查學(xué)生分析和解決問題的能力，難度較大．分析時要根據(jù)題給信息，結(jié)合相關(guān)原理進(jìn)行解答．