Question

20．某化學(xué)興趣小組模擬腎臟功能，采用間接電化學(xué)方法使代謝產(chǎn)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(zhì)子交換膜將電解池分為陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)兩部分，陰極區(qū)產(chǎn)生的氣體為H₂；電解過(guò)程中該區(qū)域溶液的pH不變（填“變大”、“變小”或“不變”）．
（2）陽(yáng)極區(qū)發(fā)生的反應(yīng)依次為2Cl^--2e^-═Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=CO₂+N₂+6HCl．
（3）若實(shí)驗(yàn)中共除去尿素3.6g，則兩極共收集到標(biāo)況下的氣體6.72L （忽略氣體的溶解）．
（4）在沒(méi)有直流電源時(shí)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(shí)電池M極與電解池B極（填“A”或“B”）相連；請(qǐng)寫出電池負(fù)極反應(yīng)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(tài)水的熱化學(xué)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(qū)為氫離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)，陰極反應(yīng)為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽(yáng)極首先發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，氯氣和尿素反應(yīng)生成氮?dú)�、二氧化碳和氯化氫，�?yáng)極室中發(fā)生的反應(yīng)依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根據(jù)上述反應(yīng)式可以看出在陰、陽(yáng)極上產(chǎn)生的OH^-、H⁺的數(shù)目相等，據(jù)此判斷陰極區(qū)溶液的pH變化；
（2）陽(yáng)極室中發(fā)生的反應(yīng)依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（3）根據(jù)電極方程式計(jì)算，有關(guān)反應(yīng)有為陰極反應(yīng)為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽(yáng)極反應(yīng)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(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，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(jù)蓋斯定律①+②+③×2得到．

解答 解：（1）陰極區(qū)為氫離子得電子發(fā)生還原反應(yīng)，陰極反應(yīng)為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），陽(yáng)極首先發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，氯氣和尿素反應(yīng)生成氮?dú)�、二氧化碳和氯化氫，�?yáng)極室中發(fā)生的反應(yīng)依次為：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根據(jù)上述反應(yīng)式可以看出在陰、陽(yáng)極上產(chǎn)生的OH^-、H⁺的數(shù)目相等，陽(yáng)極室中反應(yīng)產(chǎn)生的H⁺通過(guò)質(zhì)子交換膜進(jìn)入陰極室與OH^-恰好反應(yīng)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(yáng)極首先發(fā)生氧化反應(yīng)生成氯氣，氯氣和尿素反應(yīng)生成氮?dú)�、二氧化碳和氯化氫，�?yáng)極室中發(fā)生的反應(yīng)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(yīng)為：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑）
陽(yáng)極反應(yīng)為：6Cl^--6e^-=3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl．
根據(jù)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(zhuǎn)移0.06×6=0.36mole^-時(shí)，所以陰極產(chǎn)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(biāo)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(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，因?yàn)閴A性電解質(zhì)，所以反應(yīng)式為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；與甲烷M極相連的為陰極，所以使用時(shí)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(jù)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(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律及其電解原理知識(shí)，包括電極產(chǎn)物的判斷、電解原理及其應(yīng)用等，解答電解原理試題時(shí)，首先要注意陽(yáng)極材料，若陽(yáng)極材料為除Au、Pt之外的金屬，則陽(yáng)極金屬先失去電子，若陽(yáng)極材料為惰性電極，則考慮陰離子的放電順序，熟記陰陽(yáng)離子的放電順序是解題的關(guān)鍵．