Question

鉻的化合物有毒，由于+6價Cr的強氧化性，其毒性是+3價Cr毒性的100倍。因此，必須對含鉻的廢水進行處理。目前研究和采用的處理方法主要有：
方法一、還原法：
（Ⅰ）在酸性介質中用FeSO₄、NaHSO₃等將+6價Cr還原成+3價Cr。具體流程如下：

請回答下列問題：
（1）上述流程①發生反應的離子方程式是                                 。    
（2）若在① 使FeSO₄適當過量、空氣適量，可產生具有磁性、組成類似于鐵氧體（Fe₃O₄或FeO·Fe₂O₃）的復合氧化物（·yO）(注：X可以是分數)，變廢為寶。則控制空氣適量的目的是                 ，使鐵氧體分離出來較簡便的方法是                         。假設處理含1 mol Cr₂O₇^2－的廢水至少需要加入10mol FeSO₄·7H₂O則復合氧化物（·yO）化學式是            。
（Ⅱ）研究發現，用鐵粉作還原劑不僅可以除去Cr⁶⁺，還能除去廢水中的少量Mn²⁺，現研究鐵屑用量和pH值對廢水中鉻、錳去除率的影響，
（3）取100mL廢水于250 mL三角瓶中，調節pH值到規定值，分別加入不同量的廢鐵屑．得到鐵屑用量對鉻和錳去除率的影響如下圖1所示。則在pH一定時，廢水中鐵屑用量為   時錳、鉻去除率最好
（4）取100mL廢水于250 mL三角瓶中，加入規定量的鐵粉，調成不同的pH值。得到pH值對鉻和錳去除率的影響如下圖2所示。則在鐵屑用量一定時，廢水pH=   時錳、鉻去除率最好

方法二、電解法：將含+6價Cr的廢水放入電解槽內，用鐵作陽極，加入適量的氯化鈉進行電解：陽極區生成的Fe²⁺和Cr₂O₇^2-發生反應，生成的Fe³⁺和Cr^3十在陰極區與OH^一結合生成Fe（OH）₃和Cr（OH）₃沉淀除去。
（5）寫出此陰極反應的電極方程式                                  。
（6）現用上法處理1×10⁴ L含鉻（+6價）78 mg / L的廢水，電解時陽極物質消耗的質量至少為________kg。

Answer 1

（16分）（1）Cr₂O₇^2-＋14H⁺＋6Fe²⁺=6Fe³⁺＋2Cr^3十＋7H₂O（2分））

（2）使溶液中的比例恰當（答防止Fe²⁺被氧氣過度氧化可以給分）（2分）    
用磁鐵吸引（2分）   Cr_0.5Fe_1.5O₃·FeO（2分）
（3）15% （2分）（4） 4 （2分）（5）2H₂O＋2e^－＝H₂↑＋2OH^－。 （2分） （6） 2．52 （2分）

試題分析：（1）Cr2O₇^2－有較強氧化性，FeSO₄中Fe²⁺有一定的還原性，在酸性介質中發生氧化還原反應，由實驗流程可知，第①步反應中Cr₂O₇^2－在酸性條件下將Fe²⁺氧化為Fe³⁺，自身被還原為Cr³⁺，根據守恒元素守恒及所處環境可知，還應有水生成，反應離子方程式為Cr₂O₇^2－+14H⁺+6Fe²⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O。
（2）空氣中含有氧氣，如果空氣過量，則Fe²⁺被氧氣過度氧化，使溶液中Fe^2＋和Fe^3＋的比例不恰當。由于鐵氧體具有磁性，所以使鐵氧體分離出來較簡便的方法是用磁鐵吸引。根據反應的離子方程式可知，1mol Cr₂O₇^2－能氧化6mol亞鐵離子，同時生成2mol Cr^3十，而剩余亞鐵離子的物質的量是4mol，所以根據原子守恒和化合價代數和為0可知，、3x＋6－3x＋2y＝8，解得x＝0.5、y＝1，所以復合氧化物的化學式是Cr_0.5Fe_1.5O₃·FeO。
（3）根據圖1知，當鐵用量逐漸增大時，離子的去除率先增大后減小，當廢水中鐵屑用量為15%時錳、鉻去除率最好。
（4）根據圖2知，當溶液的pH值逐漸增大時，錳離子的去除率先減小后增大，鉻的去除率先增大后減小，當pH=4時錳、鉻去除率最好。
（5）電解池中陰極得到電子，則陰極是水電離出的氫離子得到電子，所以陰極反應的電極方程式2H₂O＋2e^－＝H₂↑＋2OH^－。
（6）1×10⁴ L含鉻（+6價）78 mg / L的廢水中鉻元素的質量是78 mg / L×10000＝780000mg＝780g，物質的量是780g÷52g/mol＝15mol。在反應中得到15mo×3＝45mol電子，因此根據電子的得失守恒可知，參加反應的亞鐵離子是45mol，所以陽極消耗鐵的質量至少是45mol×56g/mol＝2520g＝2.52kg。
點評：本題以工業廢水處理為載體，考查氧化還原反應、離子反應、電極反應式的書寫以及有關計算等，難度中等，關鍵根據實驗流程利用氧化還原反應判斷發生的離子反應，是對學生綜合能力的考查．是一道不錯的能力考查題，有利于培養學生的邏輯推理能力和發散思維能力，也有助于培養學生的環境保護意識，提升學生的學科素養。