Question

13．含铬（Ⅵ）废水能诱发致癌，对人类和自然环境有严重的破坏作用．利用Cu₂O光催化可以处理含有Cr₂O₇^2-的废水．
Ⅰ．制取Cu₂O
（1）电解法：利用铜和钛做电极，电解含有NaCl和NaOH的溶液时，反应只消耗了铜和水，体系pH及Cl^-浓度维持不变（溶液体积变化忽略不计）．
①阳极材料是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；．
②阴极的电极反应式是；电解总反应为：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O．
（2）还原法
①工业上可用肼（N₂H₄）与新制的Cu（OH）₂反应制备纳米级Cu₂O，同时放出N₂，该反应的化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
②控制100℃、pH=5的条件时，利用亚硫酸钠与硫酸铜溶液反应可以制得Cu₂O，同时产生SO₂气体．反应过程中需要不断地加入烧碱，其原因是2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反应过程中溶液的酸性不断地增强，为调节pH所以需要加入烧碱．
Ⅱ．利用Cu₂O光催化处理含有Cr₂O₇^2-的废水的研究．
（1）光照射到Cu₂O光催化剂上产生光催化反应，Cr₂O₇^2-和H₂O分别在光催化反应中形成的微电极上发生电极反应，反应原理如图1所示．在图中用短线和箭头画出电子移动的方向，写出Cr₂O₇^2-转化Cr³⁺的电极反应．
（2）研究中对Cu₂O的作用提出两种假设：
a．Cu₂O作光催化剂；b．Cu₂O 与Cr₂O₇^2-发生氧化还原反应．
已知：Cu₂O的添加量是1.74×10^-4mol/L，Cr₂O₇^2-的初始浓度是9.60×10^-4mol/L；对比实验，反应1.5小时结果如图2所示．结合试剂用量数据和实验结果可得到的结论和依据是Cu₂O作光催化剂；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，计算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；实验可以看到只有氧化亚铜和只有光照时，Cr₂O₇^2-的转化率很低，说明反应条件是光照条件下和Cu₂O同时存在；．
（3）溶液的pH对Cr₂O₇^2-降解率的影响如3图所示．
已知：Cu₂OCu+CuSO₄；酸性越大，Cr₂O₇^2-被还原率越大．
①由图3可知，pH分别为2、3、4时，Cr₂O₇^2-的降解率最好的是pH=3，其原因是pH＜2.5时Cu₂O会歧化（转化）为Cu 和Cu²⁺，所以不选pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被还原率越大，pH=3酸性强于pH=4的溶液，所以选择pH=3．
②已知pH=5时，会产生Cr（OH）₃沉淀．pH=5时，Cr₂O₇^2-的降解率低的原因是pH=5时，会产生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆盖在催化剂Cu₂O表面，影响反应继续进行．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）反应只消耗了铜和水，说明铜在阳极放电，所以阳极材料是铜；
②阴极发生还原反应，阴极的电极反应式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；电解总反应为：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根据反应物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亚硫酸钠与硫酸铜溶液反应可以制得Cu₂O，同时产生SO₂气体，反应方程式为：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，随反应的不断进行溶液的PH不断下降，所以加入氢氧化钠是调节溶液的PH的；
Ⅱ．（1）负极是水中-2价的氧失电子，而正极Cr₂O₇^2-转化Cr³⁺，由此标出电子的转移方向，和书写电极反应式；
（2）根据Cr₂O₇^2-的物质的量浓度，结合关系式3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，求Cu₂O的物质的量与已知量相比较；
（3）①由图可知：pH＜2.5时Cu₂O会歧化（转化）为Cu 和Cu²⁺；
②pH=5时，会产生Cr（OH）₃沉淀覆盖在催化剂Cu₂O表面；

解答 解：Ⅰ、（1）①反应只消耗了铜和水，说明铜在阳极放电，所以阳极材料是铜，故答案为：Cu；
②反阴极发生还原反应，阴极的电极反应式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；电解总反应为：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O，故答案为：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根据反应物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化学方程式为4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，故答案为：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亚硫酸钠与硫酸铜溶液反应可以制得Cu₂O，同时产生SO₂气体，反应方程式为：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，随反应的不断进行溶液的PH不断下降，所以加入氢氧化钠是调节溶液的PH的，故答案为：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反应过程中溶液的酸性不断地增强，为调节pH所以需要加入烧碱；
Ⅱ．（1）负极是水中-2价的氧失电子，而正极Cr₂O₇^2-转化Cr³⁺，电子的转移方向为：，Cr₂O₇^2-转化Cr³⁺的电极反应为：Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；故答案为：；Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；
（2）若发生氧化还原反应，则存在比例：3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，计算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；实验可以看到只有氧化亚铜和只有光照时，Cr₂O₇^2-的转化率很低，说明反应条件是光照条件下和Cu₂O同时存在，故答案为：Cu₂O作光催化剂；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，计算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；实验可以看到只有氧化亚铜和只有光照时，Cr₂O₇^2-的转化率很低，说明反应条件是光照条件下和Cu₂O同时存在；
（3）①由图可知：pH＜2.5时Cu₂O会歧化（转化）为Cu 和Cu²⁺，故答案为：pH=3；pH＜2.5时Cu₂O会歧化（转化）为Cu 和Cu²⁺，所以不选pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被还原率越大，pH=3酸性强于pH=4的溶液，所以选择pH=3；
②pH=5时，会产生Cr（OH）₃沉淀覆盖在催化剂Cu₂O表面，故答案为：pH=5时，会产生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆盖在催化剂Cu₂O表面，影响反应继续进行．

点评 本题综合考查环境保护，为高频考点，题目涉及化学平衡原理、氧化还原反应、离子方程式的书写和有关计算等内容，侧重于反应原理的应用的考查，分析时要根据题给信息，结合相关原理进行解答，题目难度中等．