Question

20．某化學興趣小組模擬腎臟功能，采用間接電化學方法使代謝產物中的尿素CO（NH₂）₂被氧化成CO₂和N₂而除去，原理如圖1所示：

（1）質子交換膜將電解池分為陰極區和陽極區兩部分，陰極區產生的氣體為H₂；電解過程中該區域溶液的pH不變（填“變大”、“變小”或“不變”）．
（2）陽極區發生的反應依次為2Cl^--2e^-═Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=CO₂+N₂+6HCl．
（3）若實驗中共除去尿素3.6g，則兩極共收集到標況下的氣體6.72L （忽略氣體的溶解）．
（4）在沒有直流電源時可以用新型甲烷燃料電池（如圖2）做“模擬腎臟”的電源，使用時電池M極與電解池B極（填“A”或“B”）相連；請寫出電池負極反應的方程式CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O．
（5）已知：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
則甲烷燃燒生成液態水的熱化學方程式為：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）陰極區為氫離子得電子發生還原反應，陰極反應為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽極首先發生氧化反應生成氯氣，氯氣和尿素反應生成氮氣、二氧化碳和氯化氫，陽極室中發生的反應依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根據上述反應式可以看出在陰、陽極上產生的OH^-、H⁺的數目相等，據此判斷陰極區溶液的pH變化；
（2）陽極室中發生的反應依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（3）根據電極方程式計算，有關反應有為陰極反應為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽極反應為：6Cl^--6e^-=3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（4）用新型甲烷燃料電池做“模擬腎臟”的電源，甲烷為負極發生失電子的氧化反應，與之相連的為陰極；
（5）①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
根據蓋斯定律①+②+③×2得到．

解答 解：（1）陰極區為氫離子得電子發生還原反應，陰極反應為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽極首先發生氧化反應生成氯氣，氯氣和尿素反應生成氮氣、二氧化碳和氯化氫，陽極室中發生的反應依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根據上述反應式可以看出在陰、陽極上產生的OH^-、H⁺的數目相等，陽極室中反應產生的H⁺通過質子交換膜進入陰極室與OH^-恰好反應生成水，所以陰極室中電解前后溶液的pH不變，故答案為：H₂；不變；
（2）陽極首先發生氧化反應生成氯氣，氯氣和尿素反應生成氮氣、二氧化碳和氯化氫，陽極室中發生的反應依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，故答案為：CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（3）陰極反應為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑）
陽極反應為：6Cl^--6e^-=3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl．
根據方程式CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl消耗尿素3.6g即$\frac{3.6}{60}$=0.06mol，可知生成0.06molN₂和0.06molCO₂，轉移0.06×6=0.36mole^-時，所以陰極產生0.18molH₂，故電解共收集到的0.06+0.06+0.18=0.3mol氣體，則兩極共收集到標況下的氣體0.3×22.4=6.72L，故答案為：6.72；
（4）用新型甲烷燃料電池做“模擬腎臟”的電源，甲烷為負極發生失電子的氧化反應，因為堿性電解質，所以反應式為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；與甲烷M極相連的為陰極，所以使用時電池M極與電解池B極相連，故答案為：B；CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
（5）①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-571.6kJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.3kJ/mol
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
根據蓋斯定律①+②+③×2得到CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-571.6+247.3-283.0×2=-890.3 kJ/mol，故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol．

點評 本題考查了蓋斯定律及其電解原理知識，包括電極產物的判斷、電解原理及其應用等，解答電解原理試題時，首先要注意陽極材料，若陽極材料為除Au、Pt之外的金屬，則陽極金屬先失去電子，若陽極材料為惰性電極，則考慮陰離子的放電順序，熟記陰陽離子的放電順序是解題的關鍵．