Question

含铬(Ⅵ)废水能诱发致癌，对人类和自然环境有严重的破坏作用。利用Cu₂O光催化可以处理含有Cr₂O₇^2－的废水。

Ⅰ．制取Cu₂O

(1)电解法：利用铜和钛做电极，电解含有NaCl和NaOH的溶液时，反应只消耗了铜和水，体系pH及Cl^－浓度维持不变(溶液体积变化忽略不计)。

①阳极材料是_________。

②阴极的电极反应式是_________；电解总反应为：_________。

(2)还原法

①工业上可用肼(N₂H₄)与新制的Cu(OH)₂反应制备纳米级Cu₂O，同时放出N₂，该反应的化学方程式为_________。

②控制100℃、pH=5的条件时，利用亚硫酸钠与硫酸铜溶液反应可以制得Cu₂O，同时产生SO₂气体。反应过程中需要不断地加入烧碱，其原因是_________。

Ⅱ．利用Cu₂O光催化处理含有Cr₂O₇^2－的废水的研究。

(1)光照射到Cu₂O光催化剂上产生光催化反应，Cr₂O₇^2－和H₂O分别在光催化反应中形成的微电极上发生电极反应，反应原理如下图所示。

在图中用短线和箭头画出电子移动的方向，写出Cr₂O₇^2－转化Cr³⁺的电极反应_________。

(2)研究中对Cu₂O的作用提出两种假设：

a．Cu₂O作光催化剂；b．Cu₂O 与Cr₂O₇^2－发生氧化还原反应。

已知：Cu₂O的添加量是1.74×10^－4 mol/L，Cr₂O₇^2－的初始浓度是9.60×10^－4 mol/L；对比实验，反应1.5小时结果如下图所示。结合试剂用量数据和实验结果可得到的结论和依据是_______。

(3)溶液的pH对Cr₂O₇^2－降解率的影响如下图所示。

已知：Cu₂O Cu +CuSO₄；酸性越大，Cr₂O₇^2－被还原率越大。

①由上图可知，pH分别为2、3、4时，Cr₂O₇^2－的降解率最好的是_________，其原因是_________。

②已知pH=5时，会产生Cr(OH)₃沉淀。pH=5时，Cr₂O₇^2－的降解率低的原因是_______。

Answer

(11分)

Ⅰ、(1)①Cu；②2H2O+2e－=H2↑+2OH—；2Cu+H2OH2↑+Cu2O；

(2)①N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O+N2↑+6H2O；②2CuSO4+3Na2SO3=Cu2O+2SO2↑+3Na2SO4

反应过程中溶液的酸性不断地增强，为调节pH所以需要加入烧碱；

Ⅱ．(1)；Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O；

(2)Cu2O作光催化剂。若发生氧化还原反应，则存在比例： 3Cu2O—Cr2O72-，计算9.60 × 10-4 × 3 × 69.5% = 2.00 × 10-3 ＞ 1.74 × 10-4 mol/L；实验可以看到只有氧化亚铜和只有光照时，Cr2O72-的转化率很低，说明反应条件是光照条件下和Cu2O同时存在；

(3)①3pH<2.5时Cu2O会歧化(转化)为Cu 和Cu2+，所以不选pH=2；酸性越大，Cr2O72-被还原率越大，pH=3酸性强于pH=4的溶液，所以选择pH=3；②pH=5时，会产生Cr(OH)3沉淀，沉淀覆盖在催化剂Cu2O表面，影响反应继续进行；

【解析】

试题分析：Ⅰ．(1)①电解含有NaCl和NaOH的溶液时，反应只消耗了铜和水，因此需要选用铜做阳极，故答案为：Cu；

②阴极水电离出的氢离子放电生成氢气，电极反应式为2H2O +2e－=H2↑+ 2OH—；根据题意，阳极铜溶解生成Cu2O，电解总反应为2Cu +H2O H2↑+ Cu2O，故答案为：2H2O +2e－=H2↑+ 2OH—；2Cu +H2O H2↑+ Cu2O；

(2)①工业上可用肼(N2H4)与新制的Cu(OH)2反应制备纳米级Cu2O，同时放出N2，反应的化学方程式为N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O + N2↑+ 6H2O，故答案为：N2H4+4Cu(OH)2=2Cu2O + N2↑+ 6H2O；

②控制100℃、pH=5的条件时，利用亚硫酸钠与硫酸铜溶液反应可以制得Cu2O，同时产生SO2气体，反应的方程式为2CuSO4+3Na2SO3= Cu2O +2SO2↑+ 3Na2SO4，反应过程中溶液的酸性不断地增强，为调节pH所以需要加入烧碱，故答案为：2CuSO4+3Na2SO3= Cu2O +2SO2↑+ 3Na2SO4反应过程中溶液的酸性不断地增强，为调节pH所以需要加入烧碱；

Ⅱ．(1)根据图示，水失去电子发生氧化反应生成氧气，Cr2O72－得到电子发生还原反应生成Cr3+，图示为：，Cr2O72－转化Cr3+的电极反应式为Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O，故答案为：；Cr2O72—+14H++6e－=2Cr3++ 7H2O；

(2)根据图像，只有光照时，Cr2O72－的浓度不降低，只有Cu2O时，Cr2O72－的浓度降低很少，而二者同时存在时，Cr2O72－的浓度降低很大，说明Cu2O是光催化剂；同时，根据得失电子守恒，若Cu2O与Cr2O72－发生氧化还原反应，则有3Cu2O—Cr2O72-，计算得：9.60×10-4×3×69.5%=2.00×10-3＞1.74×10-4mol/L，进一步说明，Cu2O作光催化剂，反应的条件是光照条件下和Cu2O同时存在，故答案为：Cu2O作光催化剂。若发生氧化还原反应，则存在3Cu2O—Cr2O72-比例关系：计算9.60×10-4×3×69.5%=2.00×10-3＞1.74×10-4mol/L；实验可以看到只有氧化亚铜和只有光照时，Cr2O72-的转化率很低，说明反应条件是光照条件下和Cu2O同时存在；

(3)①由上图可知，Cr2O72－的降解率最好的是3，原因是pH<2.5时Cu2O会歧化(转化)为Cu 和Cu2+，所以不选pH=2；酸性越大，Cr2O72-被还原率越大，pH=3酸性强于pH=4的溶液，所以选择pH=3；，故答案为：3；pH<2.5时Cu2O会歧化(转化)为Cu 和Cu2+，所以不选pH=2；酸性越大，Cr2O72-被还原率越大，pH=3酸性强于pH=4的溶液，所以选择pH=3；

②pH=5时，会产生Cr(OH)3沉淀，沉淀覆盖在催化剂Cu2O表面，影响反应继续进行，使得Cr2O72－的降解率低，故答案为：pH=5时，会产生Cr(OH)3沉淀，沉淀覆盖在催化剂Cu2O表面，影响反应继续进行。

考点：考查了电解原理的应用、氧化还原反应、物质性质的探究实验方案的设计的相关知识。