Question

7．電池的發(fā)明和應用是化學家們對人類社會的重要貢獻之一．
Ⅰ每一次化學電池技術的突破，都帶來了電子設備革命性的發(fā)展．最近，我國在甲醇燃料電池的相關技術上獲得了新突破，原理如圖1所示．
（1）請寫出從C口通入O₂發(fā)生反應的電極反應式：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
（2）以石墨做電極電解飽和食鹽水，如圖2所示．電解開始后在陰極的周圍（填“陰極”或“陽極”）先出現(xiàn)紅色．假設電池的理論效率為80%（電池的理論效率是指電池產(chǎn)生的最大電能與電池反應所釋放的全部能量之比），若消耗6.4g甲醇氣體，外電路通過的電子個數(shù)為5.8×10²³（保留兩位有效數(shù)字，N_A取6.02×10²³）
Ⅱ隨著電池使用范圍的日益擴大，廢舊電池潛在的污染已引起社會各界的廣泛關注．
（1）電池生產(chǎn)企業(yè)排放的工業(yè)廢水中常含有Cu²⁺等重金屬離子，直接排放會造成污染，目前在工業(yè)廢水處理過程中，依據(jù)沉淀轉化的原理，常用FeS等難溶物質(zhì)作為沉淀劑除去這些離子．已知室溫下K_sp（FeS）=6.3×10^-18mol²gL^-2，
K_sp（CuS）=1.3×10^-36mol²gL^-2，
．請用離子方程式說明上述除雜的原理：FeS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Fe²⁺（aq）．
（2）工業(yè)上為了處理含有Cr₂O₇^2-的酸性工業(yè)廢水，用綠礬（FeSO₄•7H₂O）把廢水中的六價鉻離子還原成三價鉻離子，再加入過量的石灰水，使鉻離子轉變?yōu)镃r（OH）₃沉淀．
①氧化還原過程的離子方程式為Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O．
②常溫下，Cr（OH）₃的溶度積K_sp=1×10^-32mol⁴•gL^-4，溶液中pH至少為5，才能使Cr³⁺沉淀完全．
③現(xiàn)用上述方法處理100m³含鉻（+6價）78mgg•L^-2，的廢水，需用綠礬的質(zhì)量為125.1Kg．（寫出主要計算過程）

Answer 1

分析 Ⅰ（1）依據(jù)燃料電池的反應原理是燃料燃燒的氧化還原反應，燃料在負極上發(fā)生氧化反應；氧氣再正極發(fā)生還原反應；結合電解質(zhì)環(huán)境書寫電極反應；
（2）以石墨電極電解飽和食鹽水，電解開始后陰極附近氫離子放電，溶液呈堿性使酚酞變紅；依據(jù)甲醇燃料電池的反應，結合電池的理論效率，利用電子轉移進行計算；
Ⅱ（1）沉淀轉移的方向是向著更難溶的方向移動，通過Ksp的大小可知那種物質(zhì)更加難溶；
（2）①Cr₂O₇^2-的酸性工業(yè)廢水中加入硫酸亞鐵反應生成鐵離子，三價鉻離子和水，依據(jù)原子守恒和電荷守恒配平書寫離子方程式；
②依據(jù)溶度積常數(shù)計算氫氧根離子濃度結合離子積常數(shù)計算氫離子濃度得到溶液pH；
③依據(jù)離子方程式定量關系計算得到．

解答 解：Ⅰ（1）根據(jù)裝置可以知道d出生成大量的水，所以e電極是通入的氧氣，反應環(huán)境是酸性溶液，發(fā)生電極反應為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
（2）以石墨電極電解飽和食鹽水，電解開始后陰極附近氫離子放電，溶液呈堿性使酚酞變紅；當6.4g甲醇完全反應生成CO₂時，根據(jù)反應2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g），當消耗甲醇2mol時，轉移電子為12mol，所以當6.4g甲醇即0.2mol甲醇完全反應生成CO₂時，轉移電子是1.2mol，電池的理論效率為80%，則外電路通過的電子個數(shù)=1.2mol×80%×6.02×10²³=5.8×10²³；
故答案為：陰極；5.8×10²³；
Ⅱ（1）由于Ksp（FeS）＞Ksp（CuS），所以在相同條件下CuS的溶解度更小，沉淀會向著生成CuS的方向進行，故離子方程式為FeS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Fe²⁺（aq），故答案為：FeS（s）+Cu²⁺（aq）=CuS（s）+Fe²⁺（aq）；
（2）①工業(yè)上為了處理含有Cr₂O₇^2-的酸性工業(yè)廢水，用綠礬（FeSO₄•7H₂O）把廢水中的六價鉻離子還原成三價鉻離子，Cr₂O₇^2-的酸性工業(yè)廢水中加入硫酸亞鐵反應生成鐵離子，三價鉻離子和水，反應的離子方程式為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
故答案為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；
②常溫下，Cr³⁺沉淀完全濃度小于10^-5mol/L，Cr（OH）₃的溶度積Ksp=1×10^-32=c（Cr³⁺）c³（OH^-），c³（OH^-）=$\frac{1×1{0}^{-32}}{1×1{0}^{-5}}$=10^-27，c（OH^-）=1×10^-9mol/L，依據(jù)離子積Kw=c（H⁺）c（OH^-），c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{1{0}^{-9}}$=10^-5（mol/L），溶液pH=5，
故答案為：5；
③現(xiàn)用上述方法處理100m³含鉻（+6價）78mg•L^-1的廢水，鉻元素物質(zhì)的量=$\frac{100000L×78×1{0}^{-3}g/L}{52g/mol}$=150mol，Cr₂O₇^2-物質(zhì)的量75mol，則
  Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O
   1       6
75mol    450mol
需用綠礬的質(zhì)量=450mol×278g/mol=125100g=125.1kg，
故答案為：125.1．

點評 本題考查了溶度積常數(shù)影響因素和計算應用，沉淀轉化關系的分析應用，離子方程式計算方法，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．