Question

【題目】K2Cr2O7是一種有致癌性的強(qiáng)氧化劑，含Cr2O72—的酸性工業(yè)廢水必須經(jīng)過處理才能排放。工業(yè)上通常采用Fe電極電解法處理，調(diào)節(jié)pH值使之以Cr(OH)3沉淀形式除去。某化學(xué)興趣小組在實(shí)驗(yàn)室里探究了該處理工藝，具體實(shí)驗(yàn)日志如下：

I.原理探查

查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，電解時(shí)陽極產(chǎn)生Fe2+，在陰極附近（如圖），Cr2O72—被Fe2+還原成Cr3+，而Fe3+則在陰極表面還原為Fe2+，如此循環(huán)。

(1)用離子方程式表示Cr2O72—與Fe2+的反應(yīng)：______________________________。

II.實(shí)驗(yàn)探究

實(shí)驗(yàn)一：探究不同電壓對(duì)Cr2O72-降解效率的影響

各取6份100 mL 1 mol/L 酸性K2Cr2O7溶液，均以Fe為電極，分別用不同電壓電解5 min。取電解后溶液10 mL，測(cè)定Cr2O72-的含量，所測(cè)溶液中Cr2O72-物質(zhì)的量與電解電壓關(guān)系如下圖所示。（假設(shè)電解前后溶液體積不變）

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，最佳電解電壓應(yīng)選擇_______V。

(3)電壓為6 V時(shí)，用Cr2O72-表示5 min內(nèi)平均反應(yīng)速率為_________mol·L—1·min—1。

(4)當(dāng)電壓高于3 V時(shí)，陰陽兩極在電解過程中不斷有氣泡產(chǎn)生，且測(cè)得體積比約等于2:1。因此，陽極產(chǎn)生氣泡的電極反應(yīng)式為：__________________________________。

實(shí)驗(yàn)二：探究其他影響Cr2O72-降解效率的因素

以1A電流電解500mL K2Cr2O7稀溶液，通電時(shí)間30min，考察影響Cr2O72-降解效率的其他因素。具體方法和數(shù)據(jù)如下表所示。

實(shí)驗(yàn)組		①	②	③	④
加入硫酸鐵 /g		0	0	5.0	0
加入濃硫酸 /mL		0	1.0	1.0	1.0
電極材料	陰極	石墨	石墨	石墨	石墨
	陽極	石墨	石墨	石墨	鐵
Cr2O72-濃度 / mol·L-1	初始	0.00651	0.00651	0.00651	0.00651
	結(jié)束	0.00645	0.00568	0.00516	0.00278

(5)以上實(shí)驗(yàn)中，Cr2O72-降解效率最高的是實(shí)驗(yàn)組_____（填編號(hào)），該實(shí)驗(yàn)組陽極電極反應(yīng)式為：__________________________________。

(6)對(duì)比②和③，Cr2O72-降解效率③＞②的原因是：__________________________。

(7)由實(shí)驗(yàn)組①和②，可認(rèn)為Cr2O72-能直接在陰極放電還原，電極反應(yīng)式為：__________________________________。

(8)法拉第提出了電解定律，為電化學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。根據(jù)法拉第電解定律： Q=It=n(e-)F，[I為電流強(qiáng)度單位為A，t為時(shí)間單位為s,n(e-)為通過電路的電子的物質(zhì)的量，F為法拉第常數(shù)（每摩電子電量，F＝96500 C·mol-1）]，則實(shí)驗(yàn)組②中的電流效率＝______________。（保留三位有效數(shù)字；假設(shè)電解前后溶液體積不變，且沒有副反應(yīng)發(fā)生。）

Answer 1

【答案】6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+＝ 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7H2O 2（或2 V） 0.001 mol·L—1·min—1 2H2O — 4e— = O2↑ + 4H+ （或4OH— — 4e— = O2↑ + 2H2O） ④ Fe － 2e— = Fe2+ Fe3+在陰極放電產(chǎn)生Fe2+，c(Fe2+)與Cr2O72-反應(yīng)，提高Cr2O72-降解效率 （或其他合理答案） 14H++ Cr2O72- +6e—=2Cr3++7H2O 13.3%

【解析】

I.(1) Cr2O72—與Fe2+反應(yīng)生成Fe3+ 和Cr3+，由電子守恒及電荷守恒可得反應(yīng)的離子方程式。

II. (2)由圖可知，電解電壓為2V時(shí)，Cr2O72-的物質(zhì)的量最小，所以最佳電解電壓應(yīng)選擇2 V。

(3) 根據(jù)v=計(jì)算平均反應(yīng)速率。

(4)當(dāng)電壓高于3 V時(shí)，陰陽兩極在電解過程中不斷有氣泡產(chǎn)生，且測(cè)得體積比約等于2:1。則為電解水。

(5)通過對(duì)比表格中4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第④實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)Cr2O72-濃度最小，說明降解效率最高的是實(shí)驗(yàn)組④組，④組陽極材料為活性電極Fe，則電極反應(yīng)式為：Fe － 2e— = Fe2+。

(6)對(duì)比②和③，其他條件都相同，組加入了5.0g的硫酸鐵，說明硫酸鐵對(duì)Cr2O72-降解起了作用，原因是Fe3+在陰極放電產(chǎn)生Fe2+，c(Fe2+)與Cr2O72-反應(yīng)，提高Cr2O72-降解效率，

(7)由實(shí)驗(yàn)組①和②，都用石墨作電極，Cr2O72-直接在陰極放電還原，根據(jù)電子守恒寫出電極反應(yīng)式。

(8) 由表格數(shù)據(jù)求出實(shí)驗(yàn)組②中生成產(chǎn)物的電子轉(zhuǎn)移的物質(zhì)的量，再根據(jù) Q=It=n(e-)F，計(jì)算出電路中提供的電子的物質(zhì)的量，即可求出電流效率。

I.(1) Cr2O72—與Fe2+反應(yīng)生成Fe3+ 和Cr3+，由電子守恒及電荷守恒可得，反應(yīng)的離子方程式為：6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+＝ 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7H2O。

故答案為：6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+＝ 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7H2O。

II. (2)由圖可知，電解電壓為2V時(shí)，Cr2O72-的物質(zhì)的量最小，所以最佳電解電壓應(yīng)選擇2 V。

故答案為：2。

(3) 由圖可知，電壓為6 V時(shí)，100mL溶液中含Cr2O72-的物質(zhì)的量為9.95×10-3mol×=9.95×10-2mol，電解后溶液體積不變?yōu)?00mL，則用Cr2O72-表示5 min內(nèi)平均反應(yīng)速率為=0.001mol·L—1·min—1。

故答案為：0.001mol·L—1·min—1。

(4)當(dāng)電壓高于3 V時(shí)，陰陽兩極在電解過程中不斷有氣泡產(chǎn)生，且測(cè)得體積比約等于2:1。則為電解水，陽極是水失電子生成氧氣，電極反應(yīng)式為：2H2O — 4e— = O2↑ + 4H+ （或4OH— — 4e— = O2↑ + 2H2O），

故答案為：2H2O — 4e— = O2↑ + 4H+ （或4OH— — 4e— = O2↑ + 2H2O）。

(5)通過對(duì)比表格中4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，第④實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)Cr2O72-濃度最小，說明降解效率最高的是實(shí)驗(yàn)組④組，④組陽極材料為活性電極Fe，則電極反應(yīng)式為：Fe － 2e— = Fe2+。

故答案為：④；Fe－2e— = Fe2+。

(6)對(duì)比②和③，其他條件都相同，組加入了5.0g的硫酸鐵，說明硫酸鐵對(duì)Cr2O72-降解起了作用，原因是Fe3+在陰極放電產(chǎn)生Fe2+，c(Fe2+)與Cr2O72-反應(yīng)，提高Cr2O72-降解效率，

故答案為：Fe3+在陰極放電產(chǎn)生Fe2+，c(Fe)與Cr2O72-反應(yīng)，提高Cr2O72-降解效率 （或其他合理答案）。

(7)由實(shí)驗(yàn)組①和②，都用石墨作電極，Cr2O72-直接在陰極放電還原，生成Cr3+,電極反應(yīng)式為：14H++ Cr2O72- +6e—=2Cr3++7H2O。

故答案為：14H++ Cr2O72- +6e—=2Cr3++7H2O。

(8) 由表格數(shù)據(jù)可知實(shí)驗(yàn)組②中，反應(yīng)的Cr2O72- 的物質(zhì)的量為：（0.00651mol/L×0.5L-0.00568mol/L×0.5L）=4.15×10-4mol，由電極反應(yīng)式知轉(zhuǎn)移電子4.15×10-4mol×6=2.49×10-3mol，

根據(jù) Q=It=n(e-)F，電路中提供的電子的物質(zhì)的量為n(e-)==0.0187mol，

則實(shí)驗(yàn)組②中的電流效率＝×100%=13.3%。

故答案為：13.3%。