Question

(14分) 电池的发明和应用是化学家们对人类社会的重要贡献之一。
Ⅰ．每一次化学电池技术的突破，都带来了电子设备革命性的发展。最近，我国在甲醇燃料电池的相关技术上获得了新突破，原理如下图1所示。
(1)请写出从C口通入O₂发生的电极反应式      。
(2)以石墨做电极电解饱和食盐水，如下图2所示。电解开始后在      的周围（填“阴极”或“阳极”）先出现红色。假设电池的理论效率为80%（电池的理论效率是指电池产生的最大电能与电池反应所释放的全部能量之比），若消耗6.4g甲醇气体，外电路通过的电子个数为       (保留两位有效数字，N_A取6.02×10²³)。

Ⅱ.随着电池使用范围的日益扩大，废旧电池潜在的污染已引起社会各界的广泛关注。
(1)电池生产企业排放的工业废水中常含有Cu²⁺等重金属离子，直接排放会造成污染，目前在工业废水处理过程中，依据沉淀转化的原理，常用FeS等难溶物质作为沉淀剂除去这些离子。已知室温下Ksp(FeS)＝6.3×10^－18mol²·L^－2，Ksp(CuS)＝1.3×10^－36mol²·L^－2。请用离子方程式说明上述除杂的原理      。
（2）工业上为了处理含有Cr₂O₇^2－的酸性工业废水，用绿矾（FeSO₄·7H₂O）把废水中的六价铬离子还原成三价铬离子，再加入过量的石灰水，使铬离子转变为Cr(OH)₃沉淀。
①氧化还原过程的离子方程式为      。
②常温下，Cr(OH)₃的溶度积Ksp＝1×10^－32 mol⁴·L^－4，溶液的pH至少为      ，才能使Cr³⁺沉淀完全。
③现用上述方法处理100m³含铬（＋6价）78mg?L^－1的废水，需用绿矾的质量为      kg。（写出主要计算过程）

Answer 1

（14分）Ⅰ．（1）O₂＋4e^－＋4H^＋＝2H₂O （2分） （2）阴极（1分）；5.8×10²³（2分）
Ⅱ．（1）FeS(s)＋Cu²⁺(aq)＝CuS(s) ＋Fe²⁺(aq) （2分）
（2）①Cr₂O₇^2－＋6 Fe²⁺＋14H^＋＝2Cr^3＋＋6 Fe³⁺＋7 H₂O （2分） ②5（2分） ③125.1Kg （2分）

试题分析：Ⅰ．（1）氧气在反应中得到电子，所以在正极通入。又因为存在质子交换膜，所以通入氧气的电极反应式是O₂＋4e^－＋4H^＋＝2H₂O。
（2）惰性电极电解饱和食盐水，则阳极是氯离子失去电子，阴极是氢离子得到电子生成氢气。由于氢离子放电，破坏了阴极周围水的电离平衡，所以阴极周围溶液显碱性，则阴极周围出现红色。6.4g甲醇的物质的量是6.4g÷32g/mol＝0.2mol，甲醇的氧化产物是CO₂，反应中失去0.2mol×（4+2）＝1.2mol。又因为电池的理论效率为80%，则外电路通过的电子个数为1.2mol×80%×6.02×10²³/mol＝5.8×10²³。
Ⅱ．（1）根据溶度积常数可知，FeS的溶度积常数大于CuS的溶度积常数，所以FeS能转化为更难溶的CuS沉淀，反应的离子方程式为FeS(s)＋Cu²⁺(aq)＝CuS(s) ＋Fe²⁺(aq)。
（2）①反应中亚铁离子的氧化产物是铁离子，Cr₂O₇^2－的还原产物是Cr^3＋，所以根据电子得失守恒可知，该反应的离子方程式为Cr₂O₇^2－＋6 Fe²⁺＋14H^＋＝2Cr^3＋＋6 Fe³⁺＋7H₂O。
②由于溶液中Cr³⁺浓度小于10^－5mol/L时，可以视为完全沉淀，所以根据Cr(OH)₃的溶度积Ksp＝1×10^－32 mol⁴·L^－4可知，要使Cr³⁺沉淀完全，则溶液中c(OH^－)＝＝10^－9mol/L，所以pH＝5。
③根据反应的方程式可知
2Cr^3＋                   ～           6FeSO₄·7H₂O
2mol                            6mol
78mg?L^－1×100m³/52g? mol^—1      n(FeSO₄·7H₂O)
解得n(FeSO₄·7H₂O)＝450 mol
所以m(FeSO₄·7H₂O)＝450 mol×278g? mol^—1＝125.1Kg