Question

【题目】K2Cr2O7是一种有致癌性的强氧化剂，含Cr2O72—的酸性工业废水必须经过处理才能排放。工业上通常采用Fe电极电解法处理，调节pH值使之以Cr(OH)3沉淀形式除去。某化学兴趣小组在实验室里探究了该处理工艺，具体实验日志如下：

I.原理探查

查阅文献发现，电解时阳极产生Fe2+，在阴极附近（如图），Cr2O72—被Fe2+还原成Cr3+，而Fe3+则在阴极表面还原为Fe2+，如此循环。

(1)用离子方程式表示Cr2O72—与Fe2+的反应：______________________________。

II.实验探究

实验一：探究不同电压对Cr2O72-降解效率的影响

各取6份100 mL 1 mol/L 酸性K2Cr2O7溶液，均以Fe为电极，分别用不同电压电解5 min。取电解后溶液10 mL，测定Cr2O72-的含量，所测溶液中Cr2O72-物质的量与电解电压关系如下图所示。（假设电解前后溶液体积不变）

(2)实验结果显示，最佳电解电压应选择_______V。

(3)电压为6 V时，用Cr2O72-表示5 min内平均反应速率为_________mol·L—1·min—1。

(4)当电压高于3 V时，阴阳两极在电解过程中不断有气泡产生，且测得体积比约等于2:1。因此，阳极产生气泡的电极反应式为：__________________________________。

实验二：探究其他影响Cr2O72-降解效率的因素

以1A电流电解500mL K2Cr2O7稀溶液，通电时间30min，考察影响Cr2O72-降解效率的其他因素。具体方法和数据如下表所示。

实验组		①	②	③	④
加入硫酸铁 /g		0	0	5.0	0
加入浓硫酸 /mL		0	1.0	1.0	1.0
电极材料	阴极	石墨	石墨	石墨	石墨
	阳极	石墨	石墨	石墨	铁
Cr2O72-浓度 / mol·L-1	初始	0.00651	0.00651	0.00651	0.00651
	结束	0.00645	0.00568	0.00516	0.00278

(5)以上实验中，Cr2O72-降解效率最高的是实验组_____（填编号），该实验组阳极电极反应式为：__________________________________。

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

(7)由实验组①和②，可认为Cr2O72-能直接在阴极放电还原，电极反应式为：__________________________________。

(8)法拉第提出了电解定律，为电化学的发展作出了巨大贡献。根据法拉第电解定律： Q=It=n(e-)F，[I为电流强度单位为A，t为时间单位为s,n(e-)为通过电路的电子的物质的量，F为法拉第常数（每摩电子电量，F＝96500 C·mol-1）]，则实验组②中的电流效率＝______________。（保留三位有效数字；假设电解前后溶液体积不变，且没有副反应发生。）

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+在阴极放电产生Fe2+，c(Fe2+)与Cr2O72-反应，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—与Fe2+反应生成Fe3+ 和Cr3+，由电子守恒及电荷守恒可得反应的离子方程式。

II. (2)由图可知，电解电压为2V时，Cr2O72-的物质的量最小，所以最佳电解电压应选择2 V。

(3) 根据v=计算平均反应速率。

(4)当电压高于3 V时，阴阳两极在电解过程中不断有气泡产生，且测得体积比约等于2:1。则为电解水。

(5)通过对比表格中4组实验数据可知，第④实验结束时Cr2O72-浓度最小，说明降解效率最高的是实验组④组，④组阳极材料为活性电极Fe，则电极反应式为：Fe － 2e— = Fe2+。

(6)对比②和③，其他条件都相同，组加入了5.0g的硫酸铁，说明硫酸铁对Cr2O72-降解起了作用，原因是Fe3+在阴极放电产生Fe2+，c(Fe2+)与Cr2O72-反应，提高Cr2O72-降解效率，

(7)由实验组①和②，都用石墨作电极，Cr2O72-直接在阴极放电还原，根据电子守恒写出电极反应式。

(8) 由表格数据求出实验组②中生成产物的电子转移的物质的量，再根据 Q=It=n(e-)F，计算出电路中提供的电子的物质的量，即可求出电流效率。

I.(1) Cr2O72—与Fe2+反应生成Fe3+ 和Cr3+，由电子守恒及电荷守恒可得，反应的离子方程式为：6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+＝ 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7H2O。

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

II. (2)由图可知，电解电压为2V时，Cr2O72-的物质的量最小，所以最佳电解电压应选择2 V。

故答案为：2。

(3) 由图可知，电压为6 V时，100mL溶液中含Cr2O72-的物质的量为9.95×10-3mol×=9.95×10-2mol，电解后溶液体积不变为100mL，则用Cr2O72-表示5 min内平均反应速率为=0.001mol·L—1·min—1。

故答案为：0.001mol·L—1·min—1。

(4)当电压高于3 V时，阴阳两极在电解过程中不断有气泡产生，且测得体积比约等于2:1。则为电解水，阳极是水失电子生成氧气，电极反应式为：2H2O — 4e— = O2↑ + 4H+ （或4OH— — 4e— = O2↑ + 2H2O），

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

(5)通过对比表格中4组实验数据可知，第④实验结束时Cr2O72-浓度最小，说明降解效率最高的是实验组④组，④组阳极材料为活性电极Fe，则电极反应式为：Fe － 2e— = Fe2+。

故答案为：④；Fe－2e— = Fe2+。

(6)对比②和③，其他条件都相同，组加入了5.0g的硫酸铁，说明硫酸铁对Cr2O72-降解起了作用，原因是Fe3+在阴极放电产生Fe2+，c(Fe2+)与Cr2O72-反应，提高Cr2O72-降解效率，

故答案为：Fe3+在阴极放电产生Fe2+，c(Fe)与Cr2O72-反应，提高Cr2O72-降解效率 （或其他合理答案）。

(7)由实验组①和②，都用石墨作电极，Cr2O72-直接在阴极放电还原，生成Cr3+,电极反应式为：14H++ Cr2O72- +6e—=2Cr3++7H2O。

故答案为：14H++ Cr2O72- +6e—=2Cr3++7H2O。

(8) 由表格数据可知实验组②中，反应的Cr2O72- 的物质的量为：（0.00651mol/L×0.5L-0.00568mol/L×0.5L）=4.15×10-4mol，由电极反应式知转移电子4.15×10-4mol×6=2.49×10-3mol，

根据 Q=It=n(e-)F，电路中提供的电子的物质的量为n(e-)==0.0187mol，

则实验组②中的电流效率＝×100%=13.3%。

故答案为：13.3%。