Question

20．工業廢水中常含有一定量的Cr₂O₇^2-，會對人類及生態系統產生很大損害，電解法是一種行之有效的除去鉻的方法之一．該法用Fe和石墨作電極電解含Cr₂O₇^2-的酸性廢水，最終將鉻轉化為Cr（OH）₃沉淀，達到凈化目的．某科研小組利用以上方法處理污水，設計了熔融鹽電池和污水電解裝置如圖所示．
（1）Fe電極為M（填“M”或“N”）；電解時不能（填“能”或“不能”）否用Cu電極來代替Fe電極，理由是因陽極產生的Cu²⁺不能還原Cr₂O₇^2-．
（2）陽極附近溶液中，發生反應的離子方程式是Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；
陰極附近的沉淀有Cr（OH）₃、Fe（OH）₃．
（3）圖中熔融鹽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、稀土金屬材料為電極的新型電池．已知，該熔融鹽電池的負極的電極反應是CH₄-8e^-+4CO₃^2-═5CO₂+2H₂O，則正極的電極反應式為O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-（或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）．
（4）實驗過程中，若電解池陰極材料質量不變，產生4.48L（標準狀況）氣體時，熔融鹽燃料電池消耗CH₄的體積為1.12LL（標準狀況）．

Answer 1

分析 （1）實驗原理：用Fe為電極進行電解生成Fe²⁺，作為還原劑還原Cr₂O₇^2-，銅離子不具有還原性；
（2）電解池的陽極上發生失電子的氧化反應，根據電極反應產物結合溶液的環境來回答；
（3）燃料電池中，正極發生的反應一定是氧氣得電子的過程，據此書寫電極反應；
（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，據電子守恒進行計算．

解答 解：（1）該實驗原理：用Fe為電極進行電解生成Fe²⁺，作為還原劑還原Cr₂O₇^2-，所以金屬鐵是陽極，不能用Cu電極來代替Fe電極，因陽極產生的Cu²⁺不能還原Cr₂O₇^2-，故答案為：M；不能；因陽極產生的Cu²⁺不能還原Cr₂O₇^2-；
（2）電解池的陽極上發生失電子的氧化反應，陽極附近溶液中，發生反應的離子方程式是：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O，根據陽離子移向陰極的原理，則陰極附近的沉淀有Cr（OH）₃、Fe（OH）₃，故答案為：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺═2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O；Cr（OH）₃、Fe（OH）₃；
（3）①料電池中，正極反應一定是氧氣的電子的過程，該電池的電解質環境是熔融碳酸鹽，所以電極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-），故答案為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-）；        
（4）陰極的電極反應為：2H⁺+2e^-=H₂↑，陰極產生了4.48L（標準狀況）即2mol的氫氣產生，所以轉移電子的物質的量為0.4mol，根據電池的負極電極反應是CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O，當轉移0.4mol電子時，消耗CH₄（標準狀況）的物質的量是0.05mol，其體積V=nVm=0.05mol×22.4L/mol=1.12L，故答案為：1.12L．

點評 本題綜合考查了化學平衡原理、氧化還原反應、和電化學知識等內容，考查學生分析和解決問題的能力，難度較大．分析時要根據題給信息，結合相關原理進行解答．