Question

【題目】利用化學原理對廢氣、廢水進行脫硝、脫碳處理，可實現綠色環保、廢物利用，對構建生態文明有重要意義。

（1）燃煤廢氣中的CO2能轉化為基礎化工原料、清潔能源甲醇（CH3OH，甲醇的結構式如圖）：

3H2(g)+CO2(g) CH3OH (g) + H2O(g) △H

①已知：

化學鍵	C-H	C-O	C=O	H-H	O-H
鍵能/KJ/mol	412	351	745	436	462

則△H = _________________

②廢氣中的CO2轉化為甲醇可用于制作甲醇燃料電池（結構如圖），質子交換膜左右兩側的溶液均為1L2mol·L-1H2SO4溶液。該燃料電池中通入甲醇的一極為____（填a或b），當電池中有1mol e-發生轉移時左右兩側溶液的質量之差為______g （假設反應物耗盡，忽略氣體的溶解）。

（2）H2還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的燃燒熱為285.8kJ·mol－1

①在催化劑存在下，H2還原NO2生成水蒸氣和氮氣的熱化學方程式為_____________。

② 以H2(g)為燃料可以設計氫氣燃料電池，該電池以稀NaOH作電解質溶液，其負極電極反應式為___________________________________________________________，已知該電池的能量轉換效率為86.4%，則該電池的比能量為________kW·h·kg－1(結果保留1位小數，比能量＝，1 kW·h＝3.6×106 J) 。

（3）微生物燃料電池(MFC)是一種現代化的氨氮去除技術。下圖為MFC碳氮聯合同時去除的示意圖。

①已知A、B兩極生成CO2和N2的物質的量之比為5 : 2，寫出A極的電極反應式____________________________________________。

②解釋該裝置去除NH4+的原理_______________________________________________。

（4）利用“ Na—CO2”電池可將CO2變廢為寶。

我國科研人員研制出的可充電“ Na—CO2”電池，以鈉箔和多壁碳納米管（MWCNT）為電極材料（反應前兩電極質量相等），總反應為4Na+3CO22Na2CO3+C。放電時該電池“吸入”CO2，其工作原理如圖所示：

①放電時，正極的電極反應式為______________________。

②若生成的Na2CO3和C全部沉積在電極表面，當轉移0.2 mol e-時，兩極的質量差為_________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+在好氧微生物反應器中轉化為NO3－，NO3－在MFC電池正極轉化為N23CO2+4Na++4e-=2Na2CO3+C15.8

【解析】

（1）①拆開3mol H2 (g)和1mol CO2(g)中化學鍵所吸收的總能量為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，所以該反應的焓變為2798 KJ/mol -2973 KJ/mol =-175 KJ/mol；

②根據電子流動方向為由c電極流向d電極，則c電極電子流出，作負極，發生氧化反應，故a口輸入甲醇，電極反應為:H2O+CH3OH-6e-=CO2+6H+，通入的甲醇以及生成二氧化碳都不影響溶液質量，轉移6mol電子時，消耗了1mol H2O ，生成了6 mol H+，減小的質量m=18g-6g=12g，當轉移1mol電子時，左側質量減輕2g，還有1 mol H+通過質子交換膜進入右側，質量減少1g； d電極電子流入，作正極，發生還原反應，故b口進入氧氣，電極反應為：4H++ O2+ 4e-=2 H2O，轉移4mol電子時，1mol O2生成2mol H2O ，增加的質量為消耗氧氣的質量m=32g，當轉移1mol電子時，右側質量增加8g，加上轉移過來的氫離子1g，因此左右兩側溶液的質量之差為：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

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

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

②氫氧燃料電池中，負極失去電子，發生氧化反應，所以氫氣作負極，因為電解質為氫氧化鈉，所以電極反應為：H2-2e-+2OH- =2H2O；根據公式：比能量＝，1mol氫氣參加反應，放出的熱量為285.8kJ，因為該電池的能量轉換效率為86.4%，所以輸出電能為285800J×86.4%/(3.6×106 J) ×1 kW·h =6.8×10-3 kW·h，1mol氫氣的質量為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原電池中A電極作負極，醋酸根被氧化為二氧化碳，所以電極反應為：CH3COO－－8e－＋2H2O＝2CO2↑＋7H+；B電極作正極，得到電子，硝酸根被還原為氮氣；

②NH4+在好氧微生物反應器中轉化為NO3－，NO3－在MFC電池正極轉化為N2，從而除去NH4+；

（4）①正極CO2的電子發生還原反應，故電極方程式為：3CO2+4Na++4e-=2Na2CO3+C；

②正極發生電極反應為：3CO2+4Na++4e-=2 Na2CO3+C，每轉移0.2 mol e-，則有0.1 mol Na2CO3和0.05 mol C生成，則正極質量增加m=106g/mol×0.1 mol+12 g/mol×0.05 mol=11.2g；負極發生電極反應為：4Na-4e-=4Na+，每轉移0.2 mol e-，則有0.2 mol Na被消耗，所以正極質量減小m=23 g/mol×0.2 mol=4.6g，故兩極的質量差為11.2g+4.6g=15.8g。