Question

20．某化学兴趣小组模拟肾脏功能，采用间接电化学方法使代谢产物中的尿素CO（NH₂）₂被氧化成CO₂和N₂而除去，原理如图1所示：

（1）质子交换膜将电解池分为阴极区和阳极区两部分，阴极区产生的气体为H₂；电解过程中该区域溶液的pH不变（填“变大”、“变小”或“不变”）．
（2）阳极区发生的反应依次为2Cl^--2e^-═Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=CO₂+N₂+6HCl．
（3）若实验中共除去尿素3.6g，则两极共收集到标况下的气体6.72L （忽略气体的溶解）．
（4）在没有直流电源时可以用新型甲烷燃料电池（如图2）做“模拟肾脏”的电源，使用时电池M极与电解池B极（填“A”或“B”）相连；请写出电池负极反应的方程式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
则甲烷燃烧生成液态水的热化学方程式为：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）阴极区为氢离子得电子发生还原反应，阴极反应为：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），阳极首先发生氧化反应生成氯气，氯气和尿素反应生成氮气、二氧化碳和氯化氢，阳极室中发生的反应依次为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，据此判断阴极区溶液的pH变化；
（2）阳极室中发生的反应依次为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（3）根据电极方程式计算，有关反应有为阴极反应为：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），阳极反应为：6Cl^--6e^-=3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（4）用新型甲烷燃料电池做“模拟肾脏”的电源，甲烷为负极发生失电子的氧化反应，与之相连的为阴极；
（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
根据盖斯定律①+②+③×2得到．

解答 解：（1）阴极区为氢离子得电子发生还原反应，阴极反应为：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑），阳极首先发生氧化反应生成氯气，氯气和尿素反应生成氮气、二氧化碳和氯化氢，阳极室中发生的反应依次为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，根据上述反应式可以看出在阴、阳极上产生的OH^-、H⁺的数目相等，阳极室中反应产生的H⁺通过质子交换膜进入阴极室与OH^-恰好反应生成水，所以阴极室中电解前后溶液的pH不变，故答案为：H₂；不变；
（2）阳极首先发生氧化反应生成氯气，氯气和尿素反应生成氮气、二氧化碳和氯化氢，阳极室中发生的反应依次为：2Cl^--2e^-=Cl₂↑、CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl，故答案为：CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl；
（3）阴极反应为：6H₂O+6e^-=6OH^-+3H₂↑（或6H⁺+6e^-=3H₂↑）
阳极反应为：6Cl^--6e^-=3Cl₂↑，CO（NH₂）₂+3Cl₂+H₂O=N₂+CO₂+6HCl．
根据方程式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，转移0.06×6=0.36mole^-时，所以阴极产生0.18molH₂，故电解共收集到的0.06+0.06+0.18=0.3mol气体，则两极共收集到标况下的气体0.3×22.4=6.72L，故答案为：6.72；
（4）用新型甲烷燃料电池做“模拟肾脏”的电源，甲烷为负极发生失电子的氧化反应，因为碱性电解质，所以反应式为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；与甲烷M极相连的为阴极，所以使用时电池M极与电解池B极相连，故答案为：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
根据盖斯定律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，故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3 kJ/mol．

点评 本题考查了盖斯定律及其电解原理知识，包括电极产物的判断、电解原理及其应用等，解答电解原理试题时，首先要注意阳极材料，若阳极材料为除Au、Pt之外的金属，则阳极金属先失去电子，若阳极材料为惰性电极，则考虑阴离子的放电顺序，熟记阴阳离子的放电顺序是解题的关键．