Question

(14分) 電池的發明和應用是化學家們對人類社會的重要貢獻之一。
Ⅰ．每一次化學電池技術的突破，都帶來了電子設備革命性的發展。最近，我國在甲醇燃料電池的相關技術上獲得了新突破，原理如下圖1所示。
(1)請寫出從C口通入O₂發生的電極反應式      。
(2)以石墨做電極電解飽和食鹽水，如下圖2所示。電解開始后在      的周圍（填“陰極”或“陽極”）先出現紅色。假設電池的理論效率為80%（電池的理論效率是指電池產生的最大電能與電池反應所釋放的全部能量之比），若消耗6.4g甲醇氣體，外電路通過的電子個數為       (保留兩位有效數字，N_A取6.02×10²³)。

Ⅱ.隨著電池使用范圍的日益擴大，廢舊電池潛在的污染已引起社會各界的廣泛關注。
(1)電池生產企業排放的工業廢水中常含有Cu²⁺等重金屬離子，直接排放會造成污染，目前在工業廢水處理過程中，依據沉淀轉化的原理，常用FeS等難溶物質作為沉淀劑除去這些離子。已知室溫下Ksp(FeS)＝6.3×10^－18mol²·L^－2，Ksp(CuS)＝1.3×10^－36mol²·L^－2。請用離子方程式說明上述除雜的原理      。
（2）工業上為了處理含有Cr₂O₇^2－的酸性工業廢水，用綠礬（FeSO₄·7H₂O）把廢水中的六價鉻離子還原成三價鉻離子，再加入過量的石灰水，使鉻離子轉變為Cr(OH)₃沉淀。
①氧化還原過程的離子方程式為      。
②常溫下，Cr(OH)₃的溶度積Ksp＝1×10^－32 mol⁴·L^－4，溶液的pH至少為      ，才能使Cr³⁺沉淀完全。
③現用上述方法處理100m³含鉻（＋6價）78mg?L^－1的廢水，需用綠礬的質量為      kg。（寫出主要計算過程）

Answer 1

（14分）Ⅰ．（1）O₂＋4e^－＋4H^＋＝2H₂O （2分） （2）陰極（1分）；5.8×10²³（2分）
Ⅱ．（1）FeS(s)＋Cu²⁺(aq)＝CuS(s) ＋Fe²⁺(aq) （2分）
（2）①Cr₂O₇^2－＋6 Fe²⁺＋14H^＋＝2Cr^3＋＋6 Fe³⁺＋7 H₂O （2分） ②5（2分） ③125.1Kg （2分）

試題分析：Ⅰ．（1）氧氣在反應中得到電子，所以在正極通入。又因為存在質子交換膜，所以通入氧氣的電極反應式是O₂＋4e^－＋4H^＋＝2H₂O。
（2）惰性電極電解飽和食鹽水，則陽極是氯離子失去電子，陰極是氫離子得到電子生成氫氣。由于氫離子放電，破壞了陰極周圍水的電離平衡，所以陰極周圍溶液顯堿性，則陰極周圍出現紅色。6.4g甲醇的物質的量是6.4g÷32g/mol＝0.2mol，甲醇的氧化產物是CO₂，反應中失去0.2mol×（4+2）＝1.2mol。又因為電池的理論效率為80%，則外電路通過的電子個數為1.2mol×80%×6.02×10²³/mol＝5.8×10²³。
Ⅱ．（1）根據溶度積常數可知，FeS的溶度積常數大于CuS的溶度積常數，所以FeS能轉化為更難溶的CuS沉淀，反應的離子方程式為FeS(s)＋Cu²⁺(aq)＝CuS(s) ＋Fe²⁺(aq)。
（2）①反應中亞鐵離子的氧化產物是鐵離子，Cr₂O₇^2－的還原產物是Cr^3＋，所以根據電子得失守恒可知，該反應的離子方程式為Cr₂O₇^2－＋6 Fe²⁺＋14H^＋＝2Cr^3＋＋6 Fe³⁺＋7H₂O。
②由于溶液中Cr³⁺濃度小于10^－5mol/L時，可以視為完全沉淀，所以根據Cr(OH)₃的溶度積Ksp＝1×10^－32 mol⁴·L^－4可知，要使Cr³⁺沉淀完全，則溶液中c(OH^－)＝＝10^－9mol/L，所以pH＝5。
③根據反應的方程式可知
2Cr^3＋                   ～           6FeSO₄·7H₂O
2mol                            6mol
78mg?L^－1×100m³/52g? mol^—1      n(FeSO₄·7H₂O)
解得n(FeSO₄·7H₂O)＝450 mol
所以m(FeSO₄·7H₂O)＝450 mol×278g? mol^—1＝125.1Kg