Question

【題目】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Cr2O72－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_________。

②陰極的電極反應式是_________；電解總反應為：_________。

(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_________。

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_________。

Ⅱ．利用Cu2O光催化處理含有Cr2O72－的廢水的研究。

(1)光照射到Cu2O光催化劑上產生光催化反應，Cr2O72－和H2O分別在光催化反應中形成的微電極上發生電極反應，反應原理如下圖所示。

在圖中用短線和箭頭畫出電子移動的方向，寫出Cr2O72－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Cr2O72－發生氧化還原反應。

已知：Cu2O的添加量是1.74×10－4 mol/L，Cr2O72－的初始濃度是9.60×10－4 mol/L；對比實驗，反應1.5小時結果如下圖所示。結合試劑用量數據和實驗結果可得到的結論和依據是_______。

(3)溶液的pH對Cr2O72－降解率的影響如下圖所示。

已知：Cu2O Cu +CuSO4；酸性越大，Cr2O72－被還原率越大。

①由上圖可知，pH分別為2、3、4時，Cr2O72－的降解率最好的是_________，其原因是_________。

②已知pH=5時，會產生Cr(OH)3沉淀。pH=5時，Cr2O72－的降解率低的原因是_______。

Answer 1

【答案】(11分)

Ⅰ、(1)①Cu；②2H2O+2e－=H2↑+2OH—；2Cu+H2OH2↑+Cu2O；

(2)①N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O+N2↑+6H2O；②2CuSO4+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)；Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O；

(2)Cu2O作光催化劑。若發生氧化還原反應，則存在比例： 3Cu2O—Cr2O72-，計算9.60 × 10-4 × 3 × 69.5% = 2.00 × 10-3 ＞ 1.74 × 10-4 mol/L；實驗可以看到只有氧化亞銅和只有光照時，Cr2O72-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)①3pH<2.5時Cu2O會歧化(轉化)為Cu 和Cu2+，所以不選pH=2；酸性越大，Cr2O72-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，沉淀覆蓋在催化劑Cu2O表面，影響反應繼續進行；

【解析】

試題分析：Ⅰ．(1)①電解含有NaCl和NaOH的溶液時，反應只消耗了銅和水，因此需要選用銅做陽極，故答案為：Cu；

②陰極水電離出的氫離子放電生成氫氣，電極反應式為2H2O +2e－=H2↑+ 2OH—；根據題意，陽極銅溶解生成Cu2O，電解總反應為2Cu +H2O H2↑+ Cu2O，故答案為：2H2O +2e－=H2↑+ 2OH—；2Cu +H2O H2↑+ Cu2O；

(2)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，反應的化學方程式為N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O + N2↑+ 6H2O，故答案為：N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O + N2↑+ 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，反應的方程式為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，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)根據圖示，水失去電子發生氧化反應生成氧氣，Cr2O72－得到電子發生還原反應生成Cr3+，圖示為：，Cr2O72－轉化Cr3+的電極反應式為Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O，故答案為：；Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O；

(2)根據圖像，只有光照時，Cr2O72－的濃度不降低，只有Cu2O時，Cr2O72－的濃度降低很少，而二者同時存在時，Cr2O72－的濃度降低很大，說明Cu2O是光催化劑；同時，根據得失電子守恒，若Cu2O與Cr2O72－發生氧化還原反應，則有3Cu2O—Cr2O72-，計算得：9.60×10-4×3×69.5%=2.00×10-3＞1.74×10-4mol/L，進一步說明，Cu2O作光催化劑，反應的條件是光照條件下和Cu2O同時存在，故答案為：Cu2O作光催化劑。若發生氧化還原反應，則存在3Cu2O—Cr2O72-比例關系：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，Cr2O72-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由上圖可知，Cr2O72－的降解率最好的是3，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，Cr2O72-被還原率越大，pH=3酸性強于pH=4的溶液，所以選擇pH=3；，故答案為：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，Cr2O72-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，沉淀覆蓋在催化劑Cu2O表面，影響反應繼續進行，使得Cr2O72－的降解率低，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。