Question

【题目】利用化学原理对废气、废水进行脱硝、脱碳处理，可实现绿色环保、废物利用，对构建生态文明有重要意义。

（1）燃煤废气中的CO2能转化为基础化工原料、清洁能源甲醇（CH3OH，甲醇的结构式如图）：

3H2(g)+CO2(g) CH3OH (g) + H2O(g) △H

①已知：

化学键	C-H	C-O	C=O	H-H	O-H
键能/KJ/mol	412	351	745	436	462

则△H = _________________

②废气中的CO2转化为甲醇可用于制作甲醇燃料电池（结构如图），质子交换膜左右两侧的溶液均为1L2mol·L-1H2SO4溶液。该燃料电池中通入甲醇的一极为____（填a或b），当电池中有1mol e-发生转移时左右两侧溶液的质量之差为______g （假设反应物耗尽，忽略气体的溶解）。

（2）H2还原法可消除氮氧化物

已知： N2(g)+2O2(g)＝2NO2(g) △H＝+133kJ·mol－1

H2O(g)＝ H2O(l) △H＝－44kJ·mol－1

H2的燃烧热为285.8kJ·mol－1

①在催化剂存在下，H2还原NO2生成水蒸气和氮气的热化学方程式为_____________。

② 以H2(g)为燃料可以设计氢气燃料电池，该电池以稀NaOH作电解质溶液，其负极电极反应式为___________________________________________________________，已知该电池的能量转换效率为86.4%，则该电池的比能量为________kW·h·kg－1(结果保留1位小数，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J) 。

（3）微生物燃料电池(MFC)是一种现代化的氨氮去除技术。下图为MFC碳氮联合同时去除的示意图。

①已知A、B两极生成CO2和N2的物质的量之比为5 : 2，写出A极的电极反应式____________________________________________。

②解释该装置去除NH4+的原理_______________________________________________。

（4）利用“ Na—CO2”电池可将CO2变废为宝。

我国科研人员研制出的可充电“ Na—CO2”电池，以钠箔和多壁碳纳米管（MWCNT）为电极材料（反应前两电极质量相等），总反应为4Na+3CO22Na2CO3+C。放电时该电池“吸入”CO2，其工作原理如图所示：

①放电时，正极的电极反应式为______________________。

②若生成的Na2CO3和C全部沉积在电极表面，当转移0.2 mol e-时，两极的质量差为_________g。

Answer 1

【答案】-175kJ/mola12g4H2(g)+2NO2(g)＝N2(g)+4H2O(g) △H＝－1100.2kJ·mol－1H2-2e-+2OH- =2H2O34.3CH3COO－－8e－＋2H2O＝2CO2↑＋7H+NH4+在好氧微生物反应器中转化为NO3－，NO3－在MFC电池正极转化为N23CO2+4Na++4e-=2Na2CO3+C15.8

【解析】

（1）①拆开3mol H2 (g)和1mol CO2(g)中化学键所吸收的总能量为3×436 KJ+2×745 KJ=2798 KJ，形成1mol CH3OH(g) 和1mol H2O(g)所放出的能量是3×412 KJ+351 KJ+3×462 KJ=2973 KJ，所以该反应的焓变为2798 KJ/mol -2973 KJ/mol =-175 KJ/mol；

②根据电子流动方向为由c电极流向d电极，则c电极电子流出，作负极，发生氧化反应，故a口输入甲醇，电极反应为:H2O+CH3OH-6e-=CO2+6H+，通入的甲醇以及生成二氧化碳都不影响溶液质量，转移6mol电子时，消耗了1mol H2O ，生成了6 mol H+，减小的质量m=18g-6g=12g，当转移1mol电子时，左侧质量减轻2g，还有1 mol H+通过质子交换膜进入右侧，质量减少1g； d电极电子流入，作正极，发生还原反应，故b口进入氧气，电极反应为：4H++ O2+ 4e-=2 H2O，转移4mol电子时，1mol O2生成2mol H2O ，增加的质量为消耗氧气的质量m=32g，当转移1mol电子时，右侧质量增加8g，加上转移过来的氢离子1g，因此左右两侧溶液的质量之差为：8g+1g+2g+1g=12g。

（2）①

①N2(g)+2O2(g)＝2NO2(g) △H1＝+133kJ·mol－1

②H2O(g)＝ H2O(l) △H2＝－44kJ·mol－1

③H2(g) +1/2O2(g) ＝H2O(l) △H3＝－285.8kJ·mol－1

④4H2(g) +2NO2(g) ＝4H2O(g) +N2(g) △H

由盖斯定律得：④=4×③-4×②-①，所以△H=4×△H3-4×△H2-△H1=－1100.2kJ·mol－1

综上所述，4H2(g) +2NO2(g) ＝4H2O(g) +N2(g) △H=－1100.2kJ·mol－1；

②氢氧燃料电池中，负极失去电子，发生氧化反应，所以氢气作负极，因为电解质为氢氧化钠，所以电极反应为：H2-2e-+2OH- =2H2O；根据公式：比能量＝，1mol氢气参加反应，放出的热量为285.8kJ，因为该电池的能量转换效率为86.4%，所以输出电能为285800J×86.4%/(3.6×106 J) ×1 kW·h =6.8×10-3 kW·h，1mol氢气的质量为2×10-3Kg，所以比能量=6.8×10-3 kW·h÷2×10-3Kg=3.4_kW·h·kg－1；

（3）①原电池中A电极作负极，醋酸根被氧化为二氧化碳，所以电极反应为：CH3COO－－8e－＋2H2O＝2CO2↑＋7H+；B电极作正极，得到电子，硝酸根被还原为氮气；

②NH4+在好氧微生物反应器中转化为NO3－，NO3－在MFC电池正极转化为N2，从而除去NH4+；

（4）①正极CO2的电子发生还原反应，故电极方程式为：3CO2+4Na++4e-=2Na2CO3+C；

②正极发生电极反应为：3CO2+4Na++4e-=2 Na2CO3+C，每转移0.2 mol e-，则有0.1 mol Na2CO3和0.05 mol C生成，则正极质量增加m=106g/mol×0.1 mol+12 g/mol×0.05 mol=11.2g；负极发生电极反应为：4Na-4e-=4Na+，每转移0.2 mol e-，则有0.2 mol Na被消耗，所以正极质量减小m=23 g/mol×0.2 mol=4.6g，故两极的质量差为11.2g+4.6g=15.8g。