Question

7．工業上采用的一種污水處理方法是：保持污水的pH在5.0～6.0之間，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，具有凈化水的作用．某科研小組用此法處理污水，設計如下所示裝置示意圖．

（1）實驗時若污水中離子濃度較小，導電能力較差；此時，最好應向污水中加入適量的A．
A．K₂SO₄      B．CaCO₃          C．NaOH      D．CH₃CH₂OH
（2）電解池陽極發生了兩個電極反應：其中一個反應式為Fe-2e-=Fe²⁺，另一個反應生成了一種無色
氣體，其反應式為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑．
（3）該燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質，CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料做電極．已知
負極的電極反應是CH₄+4CO${\;}_{3}^{2-}$-8e-=5CO₂+2H₂O．則正極的電極反應是O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-．為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定，此電池工作時必須有部分A物質參加循環，則A物質的化學式是CO₂．
（4）實驗中，若在陰極產生了22.4L（標準狀況，下同）氣體，則熔融鹽燃料電池消耗CH₄5.6L．

Answer 1

分析 右邊為燃料電池，通入甲烷的一極為負極，通入氧氣的一極為正極，左邊為電解池，C與負極相連為陰極，Fe與正極相連為陽極；
（1）從所加入物質能增大溶液離子濃度，并能保持污水的pH在5.0～6.0之間考慮；
（2）電解池陽極發生了兩個電極反應：其中一個反應式為Fe-2e-=Fe²⁺，另一個反應為溶液中的氫氧根離子失電子；
（3）燃料電池中，正極發生的反應是氧氣得電子被還原的過程，負極發生的反應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，可以循環利用的物質只有二氧化碳；
（4）在燃料電池和電解池的串聯電路中，轉移的電子數目是相同的，根據電子守恒計算．

解答 解：右邊為燃料電池，通入甲烷的一極為負極，通入氧氣的一極為正極，左邊為電解池，C與負極相連為陰極，Fe與正極相連為陽極；
（1）為了增強溶液的導電性，因此可選用易溶性強電解質溶液，CaCO₃難溶于水，CH₃CH₂OH是非電解質，要求電解時保持污水的pH在5.0～6.0之間，因此不能添加NaOH，所以K₂SO₄符合；
故答案為：A；
（2）電解時鐵作陽極，因此主要發生Fe-2e^-=Fe²⁺，同時也發生副反應，即溶液中水電離的OH^-失電子被氧化生成O₂，電極方程式為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑；
故答案為：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑；
（3）料電池中，正極反應一定是氧氣得電子，該電池的電解質環境是熔融碳酸鹽，所以正極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；電池是以熔融碳酸鹽為電解質，可以循環利用的物質只有二氧化碳；
故答案為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-；CO₂；
（4）陰極的電極反應為：2H⁺+2e^-=H₂↑，陰極產生了22.4L（標準狀況）即1mol的氫氣產生，所以轉移電子的物質的量為2mol，根據電池的負極電極反應是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，當轉移2mol電子時，消耗CH₄（標準狀況）為0.25mol，其體積V=nVm=0.25mol×22.4L/mol=5.6L，
故答案為：5.6．

點評 本題考查了燃料電池、電解原理的應用，明確燃料電池中正負極的判斷以及電解池中兩極上放電順序、電極方程式是解答本題的關鍵，注意串聯電路中電子守恒的應用，題目難度中等．