Question

13．含鉻（Ⅵ）廢水能誘發致癌，對人類和自然環境有嚴重的破壞作用．利用Cu₂O光催化可以處理含有Cr₂O₇^2-的廢水．
Ⅰ．制取Cu₂O
（1）電解法：利用銅和鈦做電極，電解含有NaCl和NaOH的溶液時，反應只消耗了銅和水，體系pH及Cl^-濃度維持不變（溶液體積變化忽略不計）．
①陽極材料是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；．
②陰極的電極反應式是；電解總反應為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O．
（2）還原法
①工業上可用肼（N₂H₄）與新制的Cu（OH）₂反應制備納米級Cu₂O，同時放出N₂，該反應的化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
②控制100℃、pH=5的條件時，利用亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應可以制得Cu₂O，同時產生SO₂氣體．反應過程中需要不斷地加入燒堿，其原因是2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反應過程中溶液的酸性不斷地增強，為調節pH所以需要加入燒堿．
Ⅱ．利用Cu₂O光催化處理含有Cr₂O₇^2-的廢水的研究．
（1）光照射到Cu₂O光催化劑上產生光催化反應，Cr₂O₇^2-和H₂O分別在光催化反應中形成的微電極上發生電極反應，反應原理如圖1所示．在圖中用短線和箭頭畫出電子移動的方向，寫出Cr₂O₇^2-轉化Cr³⁺的電極反應．
（2）研究中對Cu₂O的作用提出兩種假設：
a．Cu₂O作光催化劑；b．Cu₂O 與Cr₂O₇^2-發生氧化還原反應．
已知：Cu₂O的添加量是1.74×10^-4mol/L，Cr₂O₇^2-的初始濃度是9.60×10^-4mol/L；對比實驗，反應1.5小時結果如圖2所示．結合試劑用量數據和實驗結果可得到的結論和依據是Cu₂O作光催化劑；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實驗可以看到只有氧化亞銅和只有光照時，Cr₂O₇^2-的轉化率很低，說明反應條件是光照條件下和Cu₂O同時存在；．
（3）溶液的pH對Cr₂O₇^2-降解率的影響如3圖所示．
已知：Cu₂OCu+CuSO₄；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大．
①由圖3可知，pH分別為2、3、4時，Cr₂O₇^2-的降解率最好的是pH=3，其原因是pH＜2.5時Cu₂O會歧化（轉化）為Cu 和Cu²⁺，所以不選pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大，pH=3酸性強于pH=4的溶液，所以選擇pH=3．
②已知pH=5時，會產生Cr（OH）₃沉淀．pH=5時，Cr₂O₇^2-的降解率低的原因是pH=5時，會產生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，影響反應繼續進行．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）反應只消耗了銅和水，說明銅在陽極放電，所以陽極材料是銅；
②陰極發生還原反應，陰極的電極反應式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；電解總反應為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根據反應物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應可以制得Cu₂O，同時產生SO₂氣體，反應方程式為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，隨反應的不斷進行溶液的PH不斷下降，所以加入氫氧化鈉是調節溶液的PH的；
Ⅱ．（1）負極是水中-2價的氧失電子，而正極Cr₂O₇^2-轉化Cr³⁺，由此標出電子的轉移方向，和書寫電極反應式；
（2）根據Cr₂O₇^2-的物質的量濃度，結合關系式3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，求Cu₂O的物質的量與已知量相比較；
（3）①由圖可知：pH＜2.5時Cu₂O會歧化（轉化）為Cu 和Cu²⁺；
②pH=5時，會產生Cr（OH）₃沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面；

解答 解：Ⅰ、（1）①反應只消耗了銅和水，說明銅在陽極放電，所以陽極材料是銅，故答案為：Cu；
②反陰極發生還原反應，陰極的電極反應式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；電解總反應為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O，故答案為：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根據反應物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，故答案為：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應可以制得Cu₂O，同時產生SO₂氣體，反應方程式為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，隨反應的不斷進行溶液的PH不斷下降，所以加入氫氧化鈉是調節溶液的PH的，故答案為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反應過程中溶液的酸性不斷地增強，為調節pH所以需要加入燒堿；
Ⅱ．（1）負極是水中-2價的氧失電子，而正極Cr₂O₇^2-轉化Cr³⁺，電子的轉移方向為：，Cr₂O₇^2-轉化Cr³⁺的電極反應為：Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；故答案為：；Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；
（2）若發生氧化還原反應，則存在比例：3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實驗可以看到只有氧化亞銅和只有光照時，Cr₂O₇^2-的轉化率很低，說明反應條件是光照條件下和Cu₂O同時存在，故答案為：Cu₂O作光催化劑；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實驗可以看到只有氧化亞銅和只有光照時，Cr₂O₇^2-的轉化率很低，說明反應條件是光照條件下和Cu₂O同時存在；
（3）①由圖可知：pH＜2.5時Cu₂O會歧化（轉化）為Cu 和Cu²⁺，故答案為：pH=3；pH＜2.5時Cu₂O會歧化（轉化）為Cu 和Cu²⁺，所以不選pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大，pH=3酸性強于pH=4的溶液，所以選擇pH=3；
②pH=5時，會產生Cr（OH）₃沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，故答案為：pH=5時，會產生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，影響反應繼續進行．

點評 本題綜合考查環境保護，為高頻考點，題目涉及化學平衡原理、氧化還原反應、離子方程式的書寫和有關計算等內容，側重于反應原理的應用的考查，分析時要根據題給信息，結合相關原理進行解答，題目難度中等．