電鍍、電解精煉、與環境相關應用：練習題

若要將一枚銅製戒指電鍍上一層金，以下哪種物質的水溶液適合作為電解液？

某電鍍廠的廢水含有高毒性的六價鉻離子（ \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(\text{aq})\)），需要通過電解方法將其還原為毒性較低的鉻(III)離子（ \(\text{Cr}^{3+}(\text{aq})\)）。
還原半反應式如下：
\(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}(\text{aq}) + 14\text{H}^{+}(\text{aq}) + 6\text{e}^- \rightarrow 2\text{Cr}^{3+}(\text{aq}) + 7\text{H}_2\text{O}(\text{l})\)
若要處理 \(0.10 \text{ mol}\) 的 \(\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}\) 離子，理論上需要多少摩爾的電子？

在工業電解精煉銅的過程中，使用了一個電解池。陽極是含有 $98.0\%$ 銅 (\(\text{Cu}\)) 和 $2.0\%$ 鎳 (\(\text{Ni}\)) 的不純銅，陰極是純銅片。電解液為酸化的硫酸銅(\(\text{CuSO}_4(\text{aq})\))溶液。

現以 \(20.0\, \text{A}\) 的恆定電流通過電解池 \(5.00\) 小時。假設在電解過程中，陰極只有銅(II)離子被還原，且電流效率為 \(100\%\)。

已知標準還原電位：
\(\text{Cu}^{2+}(\text{aq}) + 2e^- \rightarrow \text{Cu}(\text{s})\), \(E^{\circ} = +0.34\, \text{V}\)
\(\text{Ni}^{2+}(\text{aq}) + 2e^- \rightarrow \text{Ni}(\text{s})\), \(E^{\circ} = -0.25\, \text{V}\)
相對原子質量：\(\text{Cu} = 63.5\), \(\text{Ni} = 58.7\)
法拉第常數：\(F = 96500\, \text{C\, mol}^{\text{-1}} \)

求陰極上沉積的純銅的最大質量(以克計)。

某工業電解精煉銅的設施，使用含有 95.0% 銅 (\(\text{Cu}\))、4.0% 鋅 (\(\text{Zn}\)) 和 1.0% 金 (\(\text{Au}\)) 的不純銅作為陽極，並使用純銅片作為陰極。電解液為酸化的硫酸銅(\(\text{CuSO}_4(\text{aq})\))溶液。

已知在電解過程中，陽極只有銅和鋅會溶解，而陰極則只有銅(II)離子被還原。該電解池以 \(50.0\, \text{A}\) 的恆定電流操作了 \(5.00\) 小時。假設陰極的電流效率為 \(95.0\%\)。

已知相對原子質量：\(\text{Cu} = 63.5\)
法拉第常數：\(F = 96500\, \text{C\, mol}^{\text{-1}}\)

求陰極上沉積的純銅質量(以克計)約為多少？

在處理電鍍廢水的過程中，常加入氫氧化鈉溶液以沉澱重金屬離子。試寫出 \(Cu^{2+}(aq)\) 離子與氫氧化鈉溶液反應生成沉澱的離子方程式。

在處理電鍍廠含鉻廢水時，常加入還原劑將強氧化性的 \(Cr_2O_7^{2-}(aq)\) 還原為較低毒性的 \(Cr^{3+}(aq)\)。試寫出在酸性條件下，利用亞硫酸根離子 \(SO_3^{2-}(aq)\) 作為還原劑將 \(Cr_2O_7^{2-}(aq)\) 還原的平衡離子方程式，並根據氧化數的變化解釋為何亞硫酸根離子在此反應中是還原劑。

工業上常利用電鍍技術在鋼鐵零件表面鍍上一層鋅，以增強其抗腐蝕能力。下圖顯示了一個簡易的電鍍鋅實驗裝置，其中待鍍的鋼鐵零件被浸泡在含有 \( \text{Zn}^{2+}(aq) \) 離子的電解液（如硫酸鋅溶液）中。

工業上利用電解精煉法來提純銅。下圖顯示一個電解槽裝置，其中粗銅片（含有 \(2.0\%\) 的鎳及微量的銀作為雜質）被浸泡在酸化的硫酸銅(II)溶液中。

(a) 指出在該裝置中，粗銅片應連接到直流電源的哪一極？並寫出陰極發生的半反應式。（2分）
(b) 實驗過程中，陽極下方會堆積一些固體（陽極泥）。解釋為何雜質中的銀會形成陽極泥。（1分）
(c) 若電解池通入 \(4.50 \text{ A}\) 的恆定電流 \(2.0\) 小時。計算在陰極上沉積的純銅理論質量。
（已知：法拉第常數 \(F = 96500 \text{ C mol}^{-1}\)；銅的相對原子質量 \( = 63.5\)）（2分）
(d) 解釋為何電解一段時間後，電解液中的 \(Cu^{2+}(aq)\) 離子濃度會逐漸下降。（1分）
(e) 從環境保護角度出發，簡述如何移除電解廢液中的 \(Cu^{2+}(aq)\) 離子，並寫出相關的離子方程式。（2分）