Question

20．硝酸是一种重要的化工原料，工业上一般以氨气为原料来制备硝酸．请回答：
（1）硝酸厂的尾气直接排放将污染空气，目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水，反应机理为：
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
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1．
（2）氨气若在纯氧中燃烧，则发生反应为4NH₃+3O₂$\frac{\underline{\;点燃\;}}{\;}$2N₂+6H₂O，科学家利用此原理，设计成氨气-氧气燃料电池，则通入氨气的电极是负极（填“正极”或“负极”）；碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O．
（3）化学在环境保护中起着十分重要的作用，电化学降解法可用于治理酸性废水中的硝酸盐，使其变为无污染的物质．
①电源正极为A（填A或B），阴极反应式为2NO₃^-+10e^-+12H⁺=N₂+6H₂O
②若电解过程中转移了2mol电子，则膜两侧电解液的质量变化差（△m_左-△m_右）为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
将方程式$\frac{①+②}{2}$得甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式；
（2）燃料电池中，通入燃料的一极为负极，通入氧气的一极为正极，碱性条件下，氨气失电子生成氮气和水；
（3）①由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；在阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有氢离子参与反应且有水生成；
②右侧电极上硝酸根离子得电子生成氮气，电极反应式为2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，左侧电极反应式为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，质子通过交换膜由左侧进入右侧，左侧溶液减少的质量是水的质量，右侧减少的质量氮气质量与进入氢离子质量之差．

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
将方程式$\frac{①+②}{2}$CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=$\frac{-（574+1160）}{2}$kJ/mol=-867kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2NO₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）+N₂（g）△H=-867kJ•mol^-1；
（2）燃料电池中，通入燃料的一极为负极，通入氧气的一极为正极，则通入氨气的一极为负极，碱性条件下，氨气失电子生成氮气和水，其电极反应式为：2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
故答案为：负极；2NH₃-6e^-+6OH^-=N₂+6H₂O；
（3）由图示知在Ag-Pt电极上NO₃^-发生还原反应，因此Ag-Pt电极为阴极，则B为负极，A为电源正极；在阴极反应是NO₃^-得电子发生还原反应生成N₂，利用电荷守恒与原子守恒知有H₂O参与反应且有水生成，所以阴极上发生的电极反应式为：2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O，
故答案为：A；2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂+6H₂O；
②右侧电极上硝酸根离子得电子生成氮气，电极反应式为2NO₃^-+12H⁺+10e^-=N₂↑+6H₂O，左侧电极反应式为2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，质子通过交换膜由左侧进入右侧，左侧溶液减少的质量是水的质量，右侧减少的质量氮气质量与进入氢离子质量之差，若电解过程中转移了2mol电子，左侧减少质量=$\frac{2mol}{4}$×2×18g/mol=18g，左侧有4mol氢离子进入右侧，右侧减少质量=$\frac{2mol}{10}$×1×28g/mol-$\frac{2mol}{4}$×4×1g/mol=3.6g，所以膜两侧电解液的质量变化差（△m_左-△m_右）=18g-3.6g=14.4g，
故答案为：14.4．

点评 本题考查盖斯定律的应用、原电池原理和电解原理，题目难度中等，侧重考查学生分析计算能力，（3）中注意把握右侧减少质量实质，左侧生成的氢离子进入右侧溶液，所以导致右侧溶液减少质量不是氮气质量，为易错点．