Question

1．SO₂、CO、CO₂、NO_х是對(duì)環(huán)境影響較大的幾種氣體，對(duì)它們的合理控制和優(yōu)化我們生存環(huán)境的有效途徑．
（1）利用電化學(xué)原理將CO、SO₂轉(zhuǎn)化為重要化工原料，裝置如圖1所示：

①若A為CO，B為H₂，C為CH₃OH，則通入CO的一極為正極（填“正”或“負(fù)”）．
②若A為SO₂，B為O₂，C為H₂SO₄，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為：SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺．
③若A為NO₂，B為O₂，C為HNO₃，則正極的電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O．
（2）碳酸鹽燃料電池以一定比例Li₂CO₃和Na₂CO₃低熔混合物為電解質(zhì)，操作溫度為650℃，在此溫度下以鎳為催化劑，以煤氣（CO、H₂的體積比為1：1）直接作燃料，其工作原理如圖2所示．
①電池總反應(yīng)為CO+H₂+O₂=CO₂+H₂O．
②以此電源電解足量的硝酸銀溶液，若陰極產(chǎn)物的質(zhì)量為21.6g，則陽(yáng)極產(chǎn)生氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積為1.12L．電解后溶液體積為2L，溶液的pH約為1．
（3）某研究小組利用下列裝置用N₂O₄生產(chǎn)新型硝化劑N₂O₅．
①現(xiàn)以H₂、O₂、熔融鹽Na₂CO₃組成燃料電池，采用電解法制備N(xiāo)₂O₅，裝置如圖3所示，其中Y為CO₂．在該電極上同時(shí)還引入CO₂的目的是氧氣可以和二氧化碳共同轉(zhuǎn)化為碳酸根離子；可以保持熔融鹽的成分不變．
②電解過(guò)程中，生成N₂O₅的電極反應(yīng)方程式為N₂O₄+HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）①燃料電池中，通入氧化劑的電極是正極、通入還原劑的電極是負(fù)極，該反應(yīng)中C元素化合價(jià)由+2價(jià)變?yōu)?2價(jià)、H元素化合價(jià)由0價(jià)變?yōu)?1價(jià)，所以CO是氧化劑；
②若A為SO₂，B為O₂，C為H₂SO₄，負(fù)極上二氧化硫失電子和水反應(yīng)生成硫酸根離子和氫離子；
③若A為NH₃，B為O₂，C為HNO₃，則正極發(fā)生還原反應(yīng)；
（2）①該燃料電池中，負(fù)極上一氧化碳、氫氣失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，正極上是氧氣得電子的還原反應(yīng)，總反應(yīng)等于兩極上的反應(yīng)之和；
②依據(jù)消耗的氧氣的量計(jì)算轉(zhuǎn)移電子數(shù)，依據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒，計(jì)算生成銀的質(zhì)量，根據(jù)消耗氫氧根計(jì)算氫離子濃度，從而計(jì)算pH；
（3）①在正極上，氧氣得電子生成的氧離子可以和二氧化碳結(jié)合為碳酸根離子；
②先根據(jù)化合價(jià)判斷生成N₂O₅的電極，再根據(jù)離子的放電順序?qū)懗鲭姌O反應(yīng)式．

解答 解：（1）①燃料電池中，通入氧化劑的電極是正極、通入還原劑的電極是負(fù)極，該反應(yīng)中C元素化合價(jià)由+2價(jià)變?yōu)?2價(jià)、H元素化合價(jià)由0價(jià)變?yōu)?1價(jià)，所以CO是氧化劑，則通入CO的電極為正極，故答案為：正；
②若A為SO₂，B為O₂，C為H₂SO₄，負(fù)極上二氧化硫失電子和水反應(yīng)生成硫酸根離子和氫離子，電極反應(yīng)式為SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺，
故答案為：SO₂+2H₂O-2e^-=SO₄^2-+4H⁺；
③若A為NH₃，B為O₂，C為HNO₃，則正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣得電子生成水，電極方程式為O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，故答案為：O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；
（2）①該燃料電池中，負(fù)極上一氧化碳、氫氣失電子和碳酸根離子反應(yīng)生成二氧化碳和水，正極上是氧氣得電子的還原反應(yīng)，電池總反應(yīng)為一氧化碳、氫氣與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，總反應(yīng)方程式為：CO+H₂+O₂=CO₂+H₂O；
故答案為：CO+H₂+O₂=CO₂+H₂O；
②電解足量的硝酸銀溶液，陽(yáng)極為氫氧根失電子生成氧氣，陰極上發(fā)生反應(yīng)：Ag⁺+e^-=Ag，產(chǎn)物的質(zhì)量為21.6g即0.2mol，轉(zhuǎn)移電子是0.2mol，在陽(yáng)極上：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，產(chǎn)生氧氣的物質(zhì)的量是0.05mol，體積是1.12L，則消耗氫氧根的物質(zhì)的量為0.2mol，則溶液中屬于氫離子為0.2mol，濃度為$\frac{0.2mol}{2L}$=1mol/L，所以溶液的pH為1；
  故答案為：1.12；1；
（3）①在正極上，氧氣得電子生成的氧離子可以和二氧化碳結(jié)合為碳酸根離子，可以保持熔融鹽的成分不變，故答案為：氧氣可以和二氧化碳共同轉(zhuǎn)化為碳酸根離子；可以保持熔融鹽的成分不變；
②N₂O₅中氮元素的化合價(jià)是+5價(jià)，而硝酸中氮元素也是+5價(jià)．因此應(yīng)該在左側(cè)生成N₂O₅，即在陽(yáng)極區(qū)域生成，據(jù)電極反應(yīng)離子放電順序可知：陰極發(fā)生2H⁺+2e^-=H₂↑的反應(yīng)，則陽(yáng)極為N₂O₄+2HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．
故答案為：N₂O₄+HNO₃-2e^-=2N₂O₅+2H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題考查原電池設(shè)計(jì)、燃料電池等知識(shí)點(diǎn)，會(huì)根據(jù)電池反應(yīng)式確定正負(fù)極及電解質(zhì)，發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬作負(fù)極、不如負(fù)極材料活潑的金屬或?qū)щ姷姆墙饘僮髡龢O，發(fā)生還原反應(yīng)的電解質(zhì)為原電池中電解質(zhì)，會(huì)正確書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式，為高考高頻點(diǎn)．