Question

15．目前污水处理厂用新型高效絮凝剂碱式硫酸铁[Fe（OH）SO₄]来处理水中的悬浮颗粒物，采用微生物燃料电池使水中的有机物变成二氧化碳，从而使污水得到净化．
I．工业上利用废铁屑（含少量氧化铝、氧化铁等）生产碱式硫酸铁的工艺流程如图1：

已知：25℃时部分阳离子以氢氧化物形式沉淀时溶液的pH见表：

沉淀物	Fe（OH）3	Fe（OH）2	Al（OH）3
开始沉淀	2.3	7.5	3.4
完全沉淀	3.2	9.0	4.4

回答下列问题：
（1）加入少量NaHCO₃的目的是调节pH在4.4-7.5范围内，使溶液中Al ³⁺沉淀．
（2）若沉淀完全时溶液中金属离子浓度为1.0×10^-5mol/L，则K_sp[Fe（OH）₂]=1.0×10^-15．
（3）在实际生产中，反应②常同时通入O₂以减少NaNO₂的用量，若标况下有33.6L O₂参与反应，则相当于节约NaNO₂的物质的量为6mol．
（4）该生产碱式硫酸铁的工艺过程中存在的明显缺点是会产生一氧化氮，会造成大气污染．
II．微生物燃料电池是以微生物作催化剂，以有机污水为燃料，将有机污水中的化学能直接转化为电能的一种装置．
（5）重庆大学研究出一种微生物燃料电池，可以将污水中的CH₃COO^-处理掉，
其总反应为：2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄，写出该微生物
燃料电池负极的电极反应式CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺．
（6）以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图2：
①关于该电池的叙述，正确的有BD
A．电池的正极反应为：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-
B．在电池反应中，每消耗90克葡萄糖，经外电路通过的电子数为12N_A
C．该电池能够在高温下工作
D．放电过程中，H⁺从负极区向正极区迁移
②化学需氧量（COD）是重要的水质指标，其数值表示将1L水中的有机物氧化为CO₂、H₂O所需消耗的氧气的质量．利用微生物燃料电池来处理某些污水并进行发电，如果1L废水中有机物（折算成葡萄糖）氧化所提供的化学能低于5.6kJ，就没有
发电的价值．则适合用微生物燃料电池发电的污水，其COD最低为384mg/L．
（已知葡萄糖的燃烧热为2800kJ/mol）

Answer 1

分析 I．废铁屑中含少量氧化铝、氧化铁等，将过量废铁屑加入稀硫酸中，发生反应 Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，然后反应I中加入NaHCO₃并搅拌，调节溶液的pH，发生反应Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，所以滤渣中成分是Al（OH）₃，过滤得到硫酸亚铁，向硫酸亚铁溶液中加入稀硫酸和NaNO₂，酸性条件下，NaNO₂和FeSO₄发生氧化还原反应生成铁离子、NO，将溶液蒸发浓缩、过滤得到碱式硫酸铁，据此分析解答；
II．（5）在燃料电池2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄中是还原剂CH₃COOK在负极发生氧化反应生成CO₂，据此书写电极反应式；
（6）①根据图知，负极上C₆H₁₂O₆失电子，正极上O₂得电子和H⁺反应生成水，负极的电极反应式为C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂+24H⁺，正极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；
A．原电池正极发生得电子的还原反应，据此书写电极反应；
B．根据负极电极反应C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂↑+24H⁺，可计算出每消耗90克葡萄糖，经外电路通过的电子数，并判断；
C．从蛋白质的性质：高温下会变性分析；
D．原电池中，阳离子向正极移动；
②化学需氧量（COD）是重要的水质指标，其数值表示将1L水中的有机物氧化为CO₂、H₂O时所需消耗的氧气的质量，依据化学需氧量含义计算有机物被氧化提供的化学能结合葡萄糖的氧化反应的热化学方程式计算需氧量；

解答 解：废铁屑中含少量氧化铝、氧化铁等，将过量废铁屑加入稀硫酸中，发生反应 Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑、Al₂O₃+3H₂SO₄=Al₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂O₃+3H₂SO₄=Fe₂（SO₄）₃+3H₂O、Fe₂（SO₄）₃+Fe=3FeSO₄，然后反应I中加入NaHCO₃并搅拌，调节溶液的pH，发生反应Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，所以滤渣中成分是Al（OH）₃，过滤得到硫酸亚铁，向硫酸亚铁溶液中加入稀硫酸和NaNO₂，酸性条件下，NaNO₂和FeSO₄发生氧化还原反应生成铁离子、NO，将溶液蒸发浓缩、过滤得到碱式硫酸铁，
（1）根据氢氧化物沉淀需要的pH知，在pH在4.4-7.5之间将铝离子转化为Al（OH）₃沉淀，而亚铁离子不能生成沉淀，所以条件溶液的pH范围为4.4-7.5之间，
故答案为：4.4-7.5；Al ³⁺；
（2）因为氢氧化亚铁沉淀完全时pH值为9，所以若沉淀完全时溶液中金属离子浓度为1.0×10^-5mol/L，则K_sp[Fe（OH）₂]=1.0×10^-5×（10^-14+9）²=1.0×10^-15，
故答案为：1.0×10^-15；
（3）根据电子得失守恒可知，通入O₂相当于NaNO₂的用量的关系为O₂～4NaNO₂，若标况下有33.6L O₂即为1.5mol参与反应，则相当于节约NaNO₂的物质的量为6mol，
故答案为：6mol；
（4）该生产碱式硫酸铁的工艺过程中，由于用亚硝酸盐氧化亚铁离子会产生一氧化氮，所以会造成大气污染，所以存在的明显缺点是会产生一氧化氮，会造成大气污染，
故答案为：会产生一氧化氮，会造成大气污染；
II．（5）在燃料电池2CH₃COOK+4H₂O+8K₂S₂O₈═4CO₂↑+7H₂SO₄+9K₂SO₄中是还原剂CH₃COOK在负极发生氧化反应生成CO₂，所以负极电极反应式为CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺，
故答案为：CH₃COO^-+2H₂O-8e^-=2CO₂↑+7H⁺；
（6）①A．原电池正极发生得电子的还原反应，电极反应为O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，故A错误；
B．根据负极电极反应C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂↑+24H⁺，可知每消耗90克葡萄糖，经外电路通过的电子数为12N_A，故B正确；
C．高温条件下微生物会变性，该电池不能够在高温下工作，故C错误；
D．通过原电池的电极反应可知，负极区产生了H⁺，根据原电池中阳离子向正极移动，可知质子（H⁺）通过交换膜从负极区移向正极区，故D正确；
故选BD；
②依据题意写出葡萄糖氧化分解的热化学方程式为C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）═6CO₂（g）+6H₂O（l）△H=-2800kJ/mol，则1L废水中有机物氧化提供的化学能等于5.6kJ时所需引起氧气的质量变化量m（O₂）=$\frac{32g/mol×6×5.6kJ}{2800kJ/mol}$=0.384g，相当于384mg，即其COD最低为 384mg/L，
故答案为：384．

点评 本题考查物质的分离和提纯及电化学知识、化学计算等，侧重考查学生获取信息及利用信息能力、分析能力、实验操作能力以及计算能力，注意题给信息的灵活运用及守恒思想的运用，题目难度中等．