Question

20．硝酸是一種重要的化工原料，工業上一般以氨氣為原料來制備硝酸．請回答：
（1）硝酸廠的尾氣直接排放將污染空氣，目前科學家探索利用燃料氣體中的甲烷等將氮的氧化物還原為氮氣和水，反應機理為：
CH₄（g）+4NO₂（g）═4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）═2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
則甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式為：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）氨氣若在純氧中燃燒，則發生反應為4NH₃+3O₂$\frac{\underline{\;點燃\;}}{\;}$2N₂+6H₂O，科學家利用此原理，設計成氨氣-氧氣燃料電池，則通入氨氣的電極是負極（填“正極”或“負極”）；堿性條件下，該電極發生反應的電極反應式為2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．
（3）化學在環境保護中起著十分重要的作用，電化學降解法可用于治理酸性廢水中的硝酸鹽，使其變為無污染的物質．
①電源正極為A（填A或B），陰極反應式為2NO₃^-+10e^-+12H⁺=N₂+6H₂O
②若電解過程中轉移了2mol電子，則膜兩側電解液的質量變化差（△m_左-△m_右）為14.4克．

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式$\frac{①+②}{2}$得甲烷直接將NO₂還原為N₂的熱化學方程式；
（2）燃料電池中，通入燃料的一極為負極，通入氧氣的一極為正極，堿性條件下，氨氣失電子生成氮氣和水；
（3）①由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；在陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有氫離子參與反應且有水生成；
②右側電極上硝酸根離子得電子生成氮氣，電極反應式為2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，左側電極反應式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，質子通過交換膜由左側進入右側，左側溶液減少的質量是水的質量，右側減少的質量氮氣質量與進入氫離子質量之差．

解答 解：（1）CH₄（g）+4NO₂（g）?4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1①
CH₄（g）+4NO（g）?2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1②
將方程式$\frac{①+②}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=$\frac{-（574+1160）}{2}$kJ/mol=-867kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）燃料電池中，通入燃料的一極為負極，通入氧氣的一極為正極，則通入氨氣的一極為負極，堿性條件下，氨氣失電子生成氮氣和水，其電極反應式為：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
故答案為：負極；2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
（3）由圖示知在Ag-Pt電極上NO₃^-發生還原反應，因此Ag-Pt電極為陰極，則B為負極，A為電源正極；在陰極反應是NO₃^-得電子發生還原反應生成N₂，利用電荷守恒與原子守恒知有H₂O參與反應且有水生成，所以陰極上發生的電極反應式為：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O，
故答案為：A；2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O；
②右側電極上硝酸根離子得電子生成氮氣，電極反應式為2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，左側電極反應式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，質子通過交換膜由左側進入右側，左側溶液減少的質量是水的質量，右側減少的質量氮氣質量與進入氫離子質量之差，若電解過程中轉移了2mol電子，左側減少質量=$\frac{2mol}{4}$×2×18g/mol=18g，左側有4mol氫離子進入右側，右側減少質量=$\frac{2mol}{10}$×1×28g/mol-$\frac{2mol}{4}$×4×1g/mol=3.6g，所以膜兩側電解液的質量變化差（△m_左-△m_右）=18g-3.6g=14.4g，
故答案為：14.4．

點評 本題考查蓋斯定律的應用、原電池原理和電解原理，題目難度中等，側重考查學生分析計算能力，（3）中注意把握右側減少質量實質，左側生成的氫離子進入右側溶液，所以導致右側溶液減少質量不是氮氣質量，為易錯點．