(4)多晶Cu作______(填“阴”或“阳”)极。
(5)结合电极反应式,说明阴极室KHCO3溶液浓度基本不变的原因:______。 (6)上述电解过程中采取了______措施(写2条即可)使CO2优先于H+放电。
【答案】 (1). -165 kJ·mol?1 (2). c(CH4)c2(H2O)/[c(CO2)c4(H2)] (3). 减小 (4). 在0.1MPa,CO2的转化率及CH4的选择性较高,加压CO2的转化率及CH4的选择性变化不大,且加压会增大投资和能耗 (5). 阴 (6). 阴极发生反应:9CO2+8e?+6H2O ==CH4+8HCO3,每转移8 mol电子,阴极生成8 mol HCO3,又有8 molHCO3通过阴离子交换膜进入阳极室,且K的浓度不变,所以阴极室的KHCO3浓度基本保持不变 (7). 以pH≈8的KHCO3溶液为电解液;温度控制在10℃左右;持续通入CO2;用多晶铜作阴极等 【解析】 【分析】
(1)根据反应放热分析解答; (2)发生的反应为CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)ΔH=-165 kJ·mol,据此书写平衡常
?1
+
?
?
?
数的表达式,结合影响化学平衡的元素分析判断;
(3)根据图像,压强大于0.1MPa,CO2的转化率几乎不变,CH4的选择性增加很少,结合生产成本分析解答;
(4)多晶铜电极区,二氧化碳转化为甲烷,根据发生的反应的类型分析解答; (5)结合阴极反应式和阴离子交换膜的作用分析解答;
(6)可以从我的对气体的溶解度、阴离子交换膜的作用等角度分析解答。
【详解】(1)方程式中CH4的系数=1,反应放热,因此方程式对应的ΔH=-165 kJ·mol,故答案为:-165 kJ·mol; (2)CO2(g)+4H2(g)
CH4(g)+2H2O(g)ΔH=-165 kJ·mol?1,平衡常数K=
;该
?1
?1
反应为放热反应,温度升高,平衡逆向移动,平衡常数K减小,故答案为:减小;
;
11
(3)根据图像,压强大于0.1MPa,CO2的转化率几乎不变,CH4的选择性增加很少,为节约成本,应该选择0.1MPa,故答案为:在0.1MPa,CO2的转化率及CH4的选择性较高,加压CO2的转化率及CH4的选择性变化不大,且加压会增大投资和能耗;
(4)多晶铜电极区,二氧化碳转化为甲烷,C元素的化合价降低,得到电子,发生还原反应,因此铜为阴极,故答案为:阴;
(5)阴极反应式9CO2+8e+6H2O =CH4+8HCO3,阴极生成HCO3,电路中每转移8 mol电子,阴极生成8 mol HCO3?,同时有8 molHCO3?通过阴离子交换膜进入阳极室,且K+的浓度不变,所以阴极室的HCO3?浓度基本保持不变,故答案为:阴极反应式9CO2+8e?+6H2O =CH4+8HCO3?,每转移8 mol电子,阴极生成8 mol HCO3?,又有8 molHCO3?通过阴离子交换膜进入阳极室,且K+的浓度不变,所以阴极室的KHCO3浓度基本保持不变;
(6)①降低温度,能够提高气体在水中的溶解度,提高水中二氧化碳的浓度,从而提高二氧化碳的氧化性,有利于二氧化碳放电;②采取阴离子交换膜,阳极区中氢氧根放电,氢离子浓度增大,能够防止阳极区生成的氢离子移向阴极,可以防止阴极区氢离子浓度增大,使CO2优先于H+放电;③将溶液调节成碱性,降低阴极区氢离子浓度,降低氢离子氧化性,通过二氧化碳的氧化性,有利于二氧化碳放电,故答案为:以pH≈8的KHCO3溶液为电解液;温度控制在10℃左右;持续通入CO2;用多晶铜作阴极等。
10.废水中氨态氮以NH3?H2O、NH3和NH4的形式存在,废水脱氮已成为主要污染物减排和水体富营养化防治的研究热点。 Ⅰ.沉淀法
向废水中投入MgCl2和Na2HPO4,生成MgNH4PO4?6H2O沉淀,可将氨态氮含量降至10mg·L?1以下。
(1)NH3的电子式:______。
(2)废水中的NH3?H2O转化为MgNH4PO4?6H2O的离子方程式是______。
+
?
?
?
12
(3)16℃时,向废水中加入MgCl2和Na2HPO4,使镁、氮、磷物质的量之比为1︰1︰1,沉淀过程中的pH对剩余氨态氮浓度的影响如图。欲使剩余氨态氮浓度低于10mg·L?1,pH的适宜范围是______,pH偏大或者偏小均不利于MgNH4PO4?6H2O的生成,原因是______。 Ⅱ.微波—氧化法
(4)仅对废水进行微波加热,pH对氨态氮脱出的影响如下表。 溶液pH 剩余氨态氮浓度(mg·L)
表中数据表明:pH增大有利于废水中化学平衡______(用化学用语表示)的移动。 (5)微波协同CuO和H2O2除去氨态氮
①其他条件相同,取相同体积的同一废水样品,微波10min,剩余氨态氮浓度与一定浓度H2O2溶液添加量的关系如下图。据图推测CuO在氨态氮脱除中可能起催化作用,理由是______。
?16~7 156 8~9 100 10~11 40 11~12 14
②微波协同CuO有利于H2O2除去氨态氮。该条件下,H2O2将NH3氧化为N2的化学方程式是______。 【答案】 (1).
(2). Mg2+ + NH3?H2O+HPO42? + 5H2O = MgNH4PO4?6H2O↓ (3).
pH=8~10 (4). pH偏大, NH4+、Mg2+易与OH?结合生成NH3?H2O、Mg(OH)2, NH3?H2O的电离被抑制,使NH4和Mg浓度降低;pH偏小,不利于HPO4电离,PO4浓度偏低。所以pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4?6H2O的生成 (5). NH3+ H2O
NH3?H2O
NH4+ + OH? (6).
+
2+
2?
3?
相同的H2O2溶液添加量,相同时间内,与不加CuO相比,加入CuO,氨态氮浓度降低的多,反应速率快 (7). 3H2O2+ 2NH3【解析】
N2+6H2O
13
【分析】
(1)N原子最外层有5个电子,据此书写NH3的电子式;
(2)根据题意,废水中的NH3?H2O转化为MgNH4PO4?6H2O,据此书写反应的离子方程式; (3)由图可以判断欲使剩余氨态氮浓度低于10mg·L的pH适宜范围;根据pH对NH4、Mg、PO4浓度的影响分析解答;
(4)根据废水中存在NH3?H2O,结合氨水的性质分析解答;
(5)①根据图像对比添加了CuO和未添加CuO的反应速率,以及氨态氮浓度的高低分析解答; ②在微波协同CuO作用下,H2O2和NH3生成N2,据此书写反应的方程式。 【详解】(1)NH3电子式为
,故答案为:
;
2+
3?
?1
+
2+
(2)根据题意,废水中的NH3?H2O转化为MgNH4PO4?6H2O,反应的离子方程式为Mg+ NH3?H2O+HPO4 + 5H2O = MgNH4PO4?6H2O↓,故答案为:Mg+ NH3?H2O+HPO4 + 5H2O = MgNH4PO4?6H2O↓;
2?
(3)由图可以看出,欲使剩余氨态氮浓度低于10mg·L?1,pH适宜范围为8~10,pH偏大, NH4+、Mg易与OH结合生成NH3?H2O、Mg(OH)2, NH3?H2O的电离被抑制,使NH4和Mg浓度降低;pH偏小,不利于HPO42?电离,PO43?浓度偏低。所以pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4?6H2O的生成,故答案为:pH=8~10;pH偏大, NH4、Mg易与OH结合生成NH3?H2O、Mg(OH)2, NH3?H2O的电离被抑制,使NH4和Mg浓度降低;pH偏小,不利于HPO4电离,PO4浓度偏低。所以pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4?6H2O的生成;
+
2+
2?
3?
+
2+
?
2+
?
+
2+
(4)由表格数据可知,仅对废水进行微波加热,剩余氨态氮浓度降低、水溶液的pH增大,pH的增大,有利于废水中NH3+ H2OH2O
NH3?H2O
NH4+ OH;
+
?
(5)①由图可知,在相同时间和H2O2溶液添加量相同时,添加了CuO的反应速率较快,氨态氮的剩余浓度远远小于未添加CuO,故答案为:相同的H2O2溶液添加量,相同时间内,与不加CuO相比,加入CuO,氨态氮浓度降低的多,反应速率快;
②根据上述分析,在微波协同CuO作用下,H2O2和NH3生成N2,反应的方程式为3H2O2+ 2NH3
11.某小组欲探究反应2Fe2+ + I2
的2+
2?
NH3?H2ONH4+ + OH?逆向移动,故答案为:NH3+
2
N+6H2O,故答案为:3H2O2+ 2NH3
2
N+6H2O。
2Fe3+ + 2I?,完成如下实验:
14
资料:AgI是黄色固体,不溶于稀硝酸。新制AgI见光会少量分解。
(1)Ⅰ、Ⅱ均未检出Fe,检验Ⅱ中有无Fe(2)Ⅲ中的黄色浑浊是______。
3+3+
实验操作及现象是:取少量Ⅱ中溶液,______。
(3)经检验,Ⅱ→Ⅲ的过程中产生了Fe3+。 ①对Fe3+产生的原因做出如下假设:
假设a:空气中存在O2,由于______(用离子方程式表示),可产生Fe3+; 假设b:溶液中Ag具有氧化性,可产生Fe; 假设c: ______;
2+
+
3+
假设d:该条件下,I2溶液可将Fe氧化为Fe。
3+
②通过实验进一步证实a、b、c不是产生Fe3+的主要原因,假设d成立。Ⅱ→Ⅲ的过程中I2溶液氧化Fe的原因是______。
2+
(4)经检验,Ⅳ中灰黑色浑浊中含有AgI和Ag。
①验证灰黑色浑浊含有Ag的实验操作及现象是:取洗净后的灰黑色固体,______。 ② 为探究Ⅲ→Ⅳ出现灰黑色浑浊的原因,完成了实验1和实验2。
实验1:向1 mL 0.1 mol·L?1 FeSO4溶液中加入1 mL0.1 mol·L?1 AgNO3溶液,开始时,溶
液无明显变化。几分钟后,出现大量灰黑色浑浊。反应过程中温度几乎无变化。测定溶液中Ag+浓度随反应时间的变化如下图。
的的
15
实验2:实验开始时,先向试管中加入几滴Fe2(SO4)3溶液,重复实验1,实验结果与实验1相同。
ⅰ.实验1中发生反应的离子方程式是______。 ⅱ.Ⅳ中迅速出现灰黑色浑浊的可能的原因是______。 ..