Question

14．人工腎臟可用間接電化學方法除去代謝產物中的尿素（CO（NH₂）₂），原理如圖．
（1）陽極室中發生的反應依次有：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl．
（2）電解結束后，陰極室溶液的pH與電解前相比將不變；若兩極共收集到氣體13.44L（標準狀況），則除去的尿素為7.2g（忽略氣體的溶解，下同）．
（3）若關閉左下側與左上側溶液的導入導出，當電解過程中轉移了2mol電子，則質子交換膜兩側電解液的質量變化差（△m_左-△m_右）為26g．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）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；若兩極共收集到氣體13.44L（標準狀況），混合氣體物質的量=$\frac{13.44L}{22.4L/mol}$=0.6mol，根據CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl可知n（N₂）=n（CO₂）=0.6mol×$\frac{1}{5}$=0.12 mol，根據N原子守恒計算尿素的物質的量，再根據m=nM計算尿素質量；
（3）轉移2mol電子時，陽極6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，陰極反應為：6H⁺+6e^-═3H₂↑，所以質子交換膜左邊的2mol氫離子進去右邊，右側氫離子放出氫氣，質量不變；左側陽極室中生成1molCl₂，最終放出$\frac{1}{3}$molN₂和$\frac{1}{3}$molCO₂，據此分析．

解答 解：（1）根據圖知，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，
故答案為：6Cl^--6e^-═3Cl₂↑；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；若兩極共收集到氣體13.44L（標準狀況），混合氣體物質的量=$\frac{13.44L}{22.4L/mol}$=0.6mol，根據CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl可知n（N₂）=n（CO₂）=0.6mol×$\frac{1}{5}$=0.12 mol，根據N原子守恒得n[CO（NH₂）₂]=n（N₂）=0.12mol，尿素質量m=nM=0.12mol×60g/mol=7.2g，
故答案為：不變；7.2；
（3）轉移2mol電子時，陽極6Cl^--6e^-═3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O═N₂+CO₂+6HCl，陰極反應為：6H⁺+6e^-═3H₂↑，所以質子交換膜左邊的2mol氫離子進去右邊，右側氫離子放出氫氣，質量不變；左側陽極室中生成1molCl₂，最終放出$\frac{1}{3}$molN₂和$\frac{1}{3}$molCO₂，故膜兩側電解液的質量變化差（△m左-△m右）=$\frac{1}{3}$（28+44）+2×1=26g，
故答案為：26．

點評 本題考查化學電源新型電池、電解原理等知識點，明確各個電極上發生的反應是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫及有關計算，書寫電極反應式要結合電解質溶液酸堿性書寫，注意（3）中陽極上所發生的反應，為易錯點．