Question

13．含鉻（Ⅵ）廢水能誘發(fā)致癌，對(duì)人類和自然環(huán)境有嚴(yán)重的破壞作用．利用Cu₂O光催化可以處理含有Cr₂O₇^2-的廢水．
Ⅰ．制取Cu₂O
（1）電解法：利用銅和鈦?zhàn)鲭姌O，電解含有NaCl和NaOH的溶液時(shí)，反應(yīng)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(jì)）．
①陽極材料是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；．
②陰極的電極反應(yīng)式是；電解總反應(yīng)為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O．
（2）還原法
①工業(yè)上可用肼（N₂H₄）與新制的Cu（OH）₂反應(yīng)制備納米級(jí)Cu₂O，同時(shí)放出N₂，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O．
②控制100℃、pH=5的條件時(shí)，利用亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)可以制得Cu₂O，同時(shí)產(chǎn)生SO₂氣體．反應(yīng)過程中需要不斷地加入燒堿，其原因是2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反應(yīng)過程中溶液的酸性不斷地增強(qiáng)，為調(diào)節(jié)pH所以需要加入燒堿．
Ⅱ．利用Cu₂O光催化處理含有Cr₂O₇^2-的廢水的研究．
（1）光照射到Cu₂O光催化劑上產(chǎn)生光催化反應(yīng)，Cr₂O₇^2-和H₂O分別在光催化反應(yīng)中形成的微電極上發(fā)生電極反應(yīng)，反應(yīng)原理如圖1所示．在圖中用短線和箭頭畫出電子移動(dòng)的方向，寫出Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化Cr³⁺的電極反應(yīng)．
（2）研究中對(duì)Cu₂O的作用提出兩種假設(shè)：
a．Cu₂O作光催化劑；b．Cu₂O 與Cr₂O₇^2-發(fā)生氧化還原反應(yīng)．
已知：Cu₂O的添加量是1.74×10^-4mol/L，Cr₂O₇^2-的初始濃度是9.60×10^-4mol/L；對(duì)比實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)1.5小時(shí)結(jié)果如圖2所示．結(jié)合試劑用量數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得到的結(jié)論和依據(jù)是Cu₂O作光催化劑；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計(jì)算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實(shí)驗(yàn)可以看到只有氧化亞銅和只有光照時(shí)，Cr₂O₇^2-的轉(zhuǎn)化率很低，說明反應(yīng)條件是光照條件下和Cu₂O同時(shí)存在；．
（3）溶液的pH對(duì)Cr₂O₇^2-降解率的影響如3圖所示．
已知：Cu₂OCu+CuSO₄；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大．
①由圖3可知，pH分別為2、3、4時(shí)，Cr₂O₇^2-的降解率最好的是pH=3，其原因是pH＜2.5時(shí)Cu₂O會(huì)歧化（轉(zhuǎn)化）為Cu 和Cu²⁺，所以不選pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大，pH=3酸性強(qiáng)于pH=4的溶液，所以選擇pH=3．
②已知pH=5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Cr（OH）₃沉淀．pH=5時(shí)，Cr₂O₇^2-的降解率低的原因是pH=5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，影響反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）反應(yīng)只消耗了銅和水，說明銅在陽極放電，所以陽極材料是銅；
②陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極的電極反應(yīng)式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；電解總反應(yīng)為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根據(jù)反應(yīng)物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學(xué)方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)可以制得Cu₂O，同時(shí)產(chǎn)生SO₂氣體，反應(yīng)方程式為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，隨反應(yīng)的不斷進(jìn)行溶液的PH不斷下降，所以加入氫氧化鈉是調(diào)節(jié)溶液的PH的；
Ⅱ．（1）負(fù)極是水中-2價(jià)的氧失電子，而正極Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化Cr³⁺，由此標(biāo)出電子的轉(zhuǎn)移方向，和書寫電極反應(yīng)式；
（2）根據(jù)Cr₂O₇^2-的物質(zhì)的量濃度，結(jié)合關(guān)系式3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，求Cu₂O的物質(zhì)的量與已知量相比較；
（3）①由圖可知：pH＜2.5時(shí)Cu₂O會(huì)歧化（轉(zhuǎn)化）為Cu 和Cu²⁺；
②pH=5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Cr（OH）₃沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面；

解答 解：Ⅰ、（1）①反應(yīng)只消耗了銅和水，說明銅在陽極放電，所以陽極材料是銅，故答案為：Cu；
②反陰極發(fā)生還原反應(yīng)，陰極的電極反應(yīng)式是2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；電解總反應(yīng)為：2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O，故答案為：2H₂O+2e^-=H₂↑+2OH^-；2Cu+H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$ H₂↑+Cu₂O；
（2）①根據(jù)反應(yīng)物N₂H₄和Cu（OH）₂，生成物是Cu₂0、H₂O和N₂，可得化學(xué)方程式為4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O，故答案為：4Cu（OH）₂+N₂H₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$N₂↑+2Cu₂O+6H₂O；
②亞硫酸鈉與硫酸銅溶液反應(yīng)可以制得Cu₂O，同時(shí)產(chǎn)生SO₂氣體，反應(yīng)方程式為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄，隨反應(yīng)的不斷進(jìn)行溶液的PH不斷下降，所以加入氫氧化鈉是調(diào)節(jié)溶液的PH的，故答案為：2CuSO₄+3Na₂SO₃=Cu₂O+2SO₂↑+3Na₂SO₄反應(yīng)過程中溶液的酸性不斷地增強(qiáng)，為調(diào)節(jié)pH所以需要加入燒堿；
Ⅱ．（1）負(fù)極是水中-2價(jià)的氧失電子，而正極Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化Cr³⁺，電子的轉(zhuǎn)移方向?yàn)椋?img src="http://thumb.1010pic.com/pic3/quiz/images/201701/142/b2d7c0e9.png" style="vertical-align:middle" />，Cr₂O₇^2-轉(zhuǎn)化Cr³⁺的電極反應(yīng)為：Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；故答案為：；Cr₂O₇^2-+14H⁺+6e^-=2Cr³⁺+7H₂O；
（2）若發(fā)生氧化還原反應(yīng)，則存在比例：3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計(jì)算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實(shí)驗(yàn)可以看到只有氧化亞銅和只有光照時(shí)，Cr₂O₇^2-的轉(zhuǎn)化率很低，說明反應(yīng)條件是光照條件下和Cu₂O同時(shí)存在，故答案為：Cu₂O作光催化劑；3Cu₂O-Cr₂O₇^2-，計(jì)算9.60×10^-4×3×69.5%=2.00×10^-3＞1.74×10^-4mol/L；實(shí)驗(yàn)可以看到只有氧化亞銅和只有光照時(shí)，Cr₂O₇^2-的轉(zhuǎn)化率很低，說明反應(yīng)條件是光照條件下和Cu₂O同時(shí)存在；
（3）①由圖可知：pH＜2.5時(shí)Cu₂O會(huì)歧化（轉(zhuǎn)化）為Cu 和Cu²⁺，故答案為：pH=3；pH＜2.5時(shí)Cu₂O會(huì)歧化（轉(zhuǎn)化）為Cu 和Cu²⁺，所以不選pH=2；酸性越大，Cr₂O₇^2-被還原率越大，pH=3酸性強(qiáng)于pH=4的溶液，所以選擇pH=3；
②pH=5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Cr（OH）₃沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，故答案為：pH=5時(shí)，會(huì)產(chǎn)生Cr（OH）₃沉淀，沉淀覆蓋在催化劑Cu₂O表面，影響反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合考查環(huán)境保護(hù)，為高頻考點(diǎn)，題目涉及化學(xué)平衡原理、氧化還原反應(yīng)、離子方程式的書寫和有關(guān)計(jì)算等內(nèi)容，側(cè)重于反應(yīng)原理的應(yīng)用的考查，分析時(shí)要根據(jù)題給信息，結(jié)合相關(guān)原理進(jìn)行解答，題目難度中等．