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20.工业废水中常含有一定量的Cr2O72-,会对人类及生态系统产生很大损害,电解法是一种行之有效的除去铬的方法之一.该法用Fe和石墨作电极电解含Cr2O72-的酸性废水,最终将铬转化为Cr(OH)3沉淀,达到净化目的.某科研小组利用以上方法处理污水,设计了熔融盐电池和污水电解装置如图所示.
(1)Fe电极为M(填“M”或“N”);电解时不能(填“能”或“不能”)否用Cu电极来代替Fe电极,理由是因阳极产生的Cu2+不能还原Cr2O72-
(2)阳极附近溶液中,发生反应的离子方程式是Cr2O72-+6Fe2++14H+═2Cr3++6Fe3++7H2O;
阴极附近的沉淀有Cr(OH)3、Fe(OH)3
(3)图中熔融盐燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质、CH4为燃料、空气为氧化剂、稀土金属材料为电极的新型电池.已知,该熔融盐电池的负极的电极反应是CH4-8e-+4CO32-═5CO2+2H2O,则正极的电极反应式为O2+2CO2+4e-=2CO32-(或2O2+4CO2+8e-=4CO32-).
(4)实验过程中,若电解池阴极材料质量不变,产生4.48L(标准状况)气体时,熔融盐燃料电池消耗CH4的体积为1.12LL(标准状况).

分析 (1)实验原理:用Fe为电极进行电解生成Fe2+,作为还原剂还原Cr2O72-,铜离子不具有还原性;
(2)电解池的阳极上发生失电子的氧化反应,根据电极反应产物结合溶液的环境来回答;
(3)燃料电池中,正极发生的反应一定是氧气得电子的过程,据此书写电极反应;
(4)在燃料电池和电解池的串联电路中,转移的电子数目是相同的,据电子守恒进行计算.

解答 解:(1)该实验原理:用Fe为电极进行电解生成Fe2+,作为还原剂还原Cr2O72-,所以金属铁是阳极,不能用Cu电极来代替Fe电极,因阳极产生的Cu2+不能还原Cr2O72-,故答案为:M;不能;因阳极产生的Cu2+不能还原Cr2O72-
(2)电解池的阳极上发生失电子的氧化反应,阳极附近溶液中,发生反应的离子方程式是:Cr2O72-+6Fe2++14H+═2Cr3++6Fe3++7H2O,根据阳离子移向阴极的原理,则阴极附近的沉淀有Cr(OH)3、Fe(OH)3,故答案为:Cr2O72-+6Fe2++14H+═2Cr3++6Fe3++7H2O;Cr(OH)3、Fe(OH)3
(3)①料电池中,正极反应一定是氧气的电子的过程,该电池的电解质环境是熔融碳酸盐,所以电极反应为:O2+2CO2+4e-=2CO32- (或2O2+4CO2+8e-=4CO32-),故答案为:O2+2CO2+4e-=2CO32- (或2O2+4CO2+8e-=4CO32-);        
(4)阴极的电极反应为:2H++2e-=H2↑,阴极产生了4.48L(标准状况)即2mol的氢气产生,所以转移电子的物质的量为0.4mol,根据电池的负极电极反应是CH4+4CO32--8e-=5CO2+2H2O,当转移0.4mol电子时,消耗CH4(标准状况)的物质的量是0.05mol,其体积V=nVm=0.05mol×22.4L/mol=1.12L,故答案为:1.12L.

点评 本题综合考查了化学平衡原理、氧化还原反应、和电化学知识等内容,考查学生分析和解决问题的能力,难度较大.分析时要根据题给信息,结合相关原理进行解答.

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