Question

11．工業生產中容易產生有害的含鉻工業廢水和含氰廢水，嚴重威脅人類的健康和安全．圖1是處理工業含鉻廢水和含氰廢水的工藝流程．

已知：含鉻廢水中鉻的存在形式為Cr₂O₇^2-，Cr元素常見的化合價+3、+6，含氰廢水中有CN^-存在．
請回答下列問題：
（1）含氰廢水中有CN^-存在，其中C元素的化合價為+2．
（2）向含鉻廢水中加下列哪種物質將pH調整到2～3，b（填字母）．
a．稀鹽酸        b．稀硫酸         c．稀硝酸
（3）pH＞10時，圖中反應Ⅱ中的NaClO可以將CN^-氧化為兩種無毒物質，請寫出反應的離子方程式2CN^-+5ClO^-+2OH^-═2CO₃^2-+N₂↑+5Cl^-+H₂O．
（4）經過圖中反應Ⅰ和圖中反應Ⅱ后，將兩種廢水混合的目的是使兩個反應中過量的氧化劑和還原劑反應，以及發生中和反應．
（5）工業上也常用電解法處理酸性含鉻廢水，用耐酸電解槽，鐵板作電極，槽中盛放酸性含Cr₂O₇^2-的廢水，原理示意圖如圖2：

陽極區域溶液中發生反應的離子方程式為Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O．若不考慮氣體的溶解，當收集到H₂ 13.44L（標準狀況）時，被還原的Cr₂O₇^2-物質的量為0.1mol．為了使Cr³⁺和Fe³⁺轉化為Fe （OH）₃和Cr（OH）₃沉淀，向反應后的溶液中加入一定量的燒堿，若溶液中c（Fe³⁺）=2.0×10^-12 mol•L^-1，則溶液中c （Cr³⁺）=3×10^-5mol•L^-1．（已知：Ksp[Fe （OH）₃]=4.0×10^-38，Ksp[Cr（OH）₃]=6.0×10^-31）
（6）在25℃下，將a mol•L^-1 NaCN溶液與0.01mol•L^-1鹽酸等體積混合（忽略溶液體積變化），反應后測得溶液pH=7，HCN的電離常數Ka為（100a-1）×10^-7．（用含a的代數式表示）

Answer 1

分析 （1）N元素表現-3價，元素化合價代數和等于離子所帶電荷；
（2）含鉻廢水中鉻的存在形式為Cr₂O₇^2-，調節pH轉化為CrO₄^2-，再用亞硫酸鈉將其還原為Cr³⁺，加入酸不能有強氧化性，易減少還原劑的用量，而加入鹽酸易被氧化為氯氣；
（3）pH＞10時，反應Ⅱ中的NaClO可以將CN^-氧化為兩種無毒物質，NaClO將CN^-氧化為碳酸根和氮氣；
（4）反應Ⅰ、Ⅱ分別為酸性、堿性，混合可發生中和反應，且分別含有還原性、氧化性物質，可發生氧化還原反應；
（5）右室生成氫氣，為陰極室，左室為陽極室，Fe放電生成亞鐵離子將Cr₂O₇^2-還原為Cr³⁺，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺；
根據電子轉移守恒計算亞鐵離子物質的量，再根據離子方程式計算被還原的Cr₂O₇^2-物質的量；
Ksp[Fe （OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38，Ksp[Cr（OH）₃]=c（Cr³⁺）×c³（OH^-）=6.0×10^-31，聯立計算c （Cr³⁺）；
（6）混合后溶液中pH=7，可知c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol•L^-1，由電荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（CN^-）+c（Cl^-），計算混合后溶液中c（CN^-），根據物料守恒c（CN^-）+c（HCN）=c（Na⁺）計算混合后溶液中c（HCN），電離平衡常數Ka（HCN）=$\frac{c（C{N}^{-}）×c（{H}^{+}）}{c（HCN）}$．

解答 解：（1）N元素表現-3價，元素化合價代數和等于離子所帶電荷，可知C元素化合價為+2，
故答案為：+2；
（2）含鉻廢水中鉻的存在形式為Cr₂O₇^2-，調節pH轉化為CrO₄^2-，再用亞硫酸鈉將其還原為Cr³⁺，硝酸具有強氧化性，可以氧化亞硫酸鈉，而加入鹽酸易被氧化為氯氣，需要用硫酸調節pH，
故答案為：b；
（3）pH＞10時，反應Ⅱ中的NaClO可以將CN^-氧化為兩種無毒物質，NaClO將CN^-氧化為碳酸根和氮氣，反應離子方程式為：2CN^-+5ClO^-+2OH^-═2CO₃^2-+N₂↑+5Cl^-+H₂O，
故答案為：2CN^-+5ClO^-+2OH^-═2CO₃^2-+N₂↑+5Cl^-+H₂O；
（4）兩個反應中過量的氧化劑和還原劑反應；發生中和反應（或者可減少后續加入NaOH的量）；混合后pH增大，反應Ⅰ中的Cr³⁺可能生成Cr（OH）₃沉淀可減少后續加入NaOH的量，
故答案為：使兩個反應中過量的氧化劑和還原劑反應，以及發生中和反應；
（5）右室生成氫氣，為陰極室，左室為陽極室，Fe放電生成亞鐵離子將Cr₂O₇^2-還原為Cr³⁺，Fe²⁺被氧化為Fe³⁺，陽極區發生的離子方程式：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，
生成氫氣物質的量為$\frac{13.44L}{22.4L/mol}$=0.6mol，根據電子轉移守恒，亞鐵離子物質的量為0.6mol，再根據離子方程式，可知被還原的Cr₂O₇^2-物質的量為0.6mol×$\frac{1}{6}$=0.1mol；
溶液中c（Fe³⁺）=2.0×10^-12 mol•L^-1，Ksp[Fe （OH）₃]=c（Fe³⁺）×c³（OH^-）=4.0×10^-38，Ksp[Cr（OH）₃]=c（Cr³⁺）×c³（OH^-）=6.0×10^-31，聯立可得c （Cr³⁺）=3×10^-5 mol•L^-1，
故答案為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；0.1mol；3×10^-5；
（6）混合后溶液中pH=7，可知c（H⁺）=c（OH^-）=10^-7 mol•L^-1，由電荷守恒c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（CN^-）+c（Cl^-），混合后溶液中c（CN^-）=c（Na⁺）-c（Cl^-）=（0.5a-0.005）mol/L，根據物料守恒c（CN^-）+c（HCN）=c（Na⁺），可知混合后溶液中c（HCN）=0.5a mol/L-（0.5a-0.005）mol/L=0.005mol/L，電離平衡常數Ka（HCN）=$\frac{c（C{N}^{-}）×c（{H}^{+}）}{c（HCN）}$=$\frac{（0.5a-0.005）×1{0}^{-7}}{0.005}$=（100a-1）×10^-7，
故答案為：（100a-1）×10^-7．

點評 本題以廢水處理為載體，考查物質的分離提純、氧化還原反應、電解原理應用、電離平衡常數等，是對學生綜合能力的考查，難度較大．