Question

电池的发明和应用是化学家们对人类社会的重要贡献之一。

I 每一次化学电池技术的突破，都带来了电子设备革命性的发展。最近，我国在甲醇燃料电池的相关技术上获得了新突破，原理如图1所示。

（1） 请写出从C口通入O₂发生反应的电极反应式：            。

（2） 以石墨做电极电解饱和食盐水，如图2所示。电解开始后在         的周围(填“阴极”或“阳极”)先出现红色。假设电池的理论效率为80%(电池的理论效率是指电池产生的最大电能与电池反应所释放的全部能量之比)，若消耗6.4g甲醇气体，外电路通过的电子个数为         (保留两位有效数字，取)

II 随着电池使用范围的日益扩大，废旧电池潜在的污染已引起社会各界的广泛关注。

（1） 电池生产企业排放的工业废水中常含有Cu^2＋等重金属离子，直接排放会造成污染，目前在工业废水处理过程中，依据沉淀转化的原理，常用FeS等难溶物质作为沉淀剂除去这些离子。已知室温下(FeS)＝,(CuS)＝。请用离子方程式说明上述除杂的原理：                  。

（2） 工业上为了处理含有Cr₂O₇^2—的酸性工业废水，用绿矾(FeSO₄·7H₂O)把废水中的六价铬离子还原成三价铬离子，再加入过量的石灰水，使铬离子转变为Cr(OH)₃沉淀。

①氧化还原过程的离子方程式为                 。

②常温下，Cr(OH)₃的溶度积＝，溶液中pH至少为         ，才能使Cr^3＋沉淀完全。

③现用上述方法处理100m³含铬(+6价)78的废水，需用绿矾的质量为             Kg。(写出主要计算过程)

Answer

Ⅰ：（1）O2+4e－+4H＋=2H2O （2）阴极；5.8×1023

Ⅱ：（1）FeS(s)+Cu2＋(aq)=CuS(s)+Fe2＋(aq)

（2）①Cr2O72-+6Fe2＋+14H＋=2Cr3++6Fe3＋+7H2O ②5 ③125.1Kg

【解析】

试题分析：Ⅰ.（1）氧气在反应中得到电子，所以在正极通入。又因为存在质子交换膜，电解质溶液是酸性溶液，所以通入氧气的电极反应式是O2+4e－+4H＋=2H2O。

（2）惰性电极电解饱和食盐水，阳极是氯离子失去电子，阴极是氢离子得到电子生成氢气，由于氢离子放电，破坏了阴极周围水的电离平衡，导致阴极周围溶液显碱性，所以阴极周围出现红色。6.4g甲醇的物质的量是6.4g÷32g/mol＝0.2mol，甲醇的氧化产物是CO2，反应中失去0.2mol×（4+2）＝1.2mol。又因为电池的理论效率为80%，则外电路通过的电子个数为1.2mol×80%×6.02×1023/mol＝5.8×1023。

Ⅱ．（1）根据溶度积常数可知，FeS的溶度积常数大于CuS的溶度积常数，所以FeS能转化为更难溶的CuS沉淀，反应的离子方程式为FeS(s)+Cu2＋(aq)=CuS(s)+Fe2＋(aq)。

（2）①反应中亚铁离子的氧化产物是铁离子，Cr2O72－的还原产物是Cr3＋，所以根据电子得失守恒可知，该反应的离子方程式为Cr2O72-+6Fe2＋+14H＋=2Cr3++6Fe3＋+7H2O。

②由于溶液中Cr3+浓度小于10－5mol/L时，可以视为完全沉淀，根据Cr(OH)3的溶度积Ksp＝1×10－32 mol4·L－4可知，要使Cr3+沉淀完全，则溶液中c(OH－)3×1×10-5＝1×10-32，则c(OH－)＝10－9mol/L，c(H＋)=10-5mol/L，所以pH＝5。

③100m3含铬78mg/L的废水中含铬的物质的量为[100×103×78mg/L÷1000]÷52g/mol=150mol，根据化学反应方程式可得关系式：

2Cr3＋ ～ 6FeSO4·7H2O

2mol 6mol

150mol n(FeSO4·7H2O)

解得n(FeSO4·7H2O)＝450 mol，所以m(FeSO4·7H2O)＝450mol×278g• mol—1＝125.1Kg

【考点定位】考查燃料电池，电解池的工作原理，沉淀溶解平衡，氧化还原反应和化学计算等知识。

【名师点睛】本题考查电极反应式的书写、电极产物的判断和计算；溶解平衡以及溶度积常数和氧化还原反应的有关计算等知识。燃料电池电极反应式的书写方法：

（1）写出电池总反应：燃料电池的总反应与燃料的燃烧反应一致，若产物能和电解质反应，则总反应为加合后的反应。

（2）写出电池的正极反应

①酸性电解质溶液环境下：O2+4H＋+4e－=2H2O；

②碱性电解质溶液环境下：O2+4e－+2H2O=4OH－；

③固体电解质（高温下能传导O2－）环境下：O2+4e－=2O2－。

（3）根据电池总反应和正极反应写出电池的负极反应：电池总反应=电池正极反应+电池负极反应。