Question

膜技術原理在化工生產中有著廣泛的應用。有人設想利用電化學原理制備少量硫酸和綠色硝化劑N₂O₅，裝置圖如下。

⑴A裝置是________，B裝置是_________(填“原電池”或“電解池”)。
⑵N₂O₅在電解池的______區生成，其電極反應式為_____________________________。
⑶通入O₂一極的電極反應式為_______________________________。
⑷若通入SO₂的速率為2.24 L·min^－1(標準狀況)，為穩定持續生產，硫酸溶液的濃度應維持不變，則左側水的流入速率應為_________mL·min^－1。

Answer 1

⑴原電池（1分）  電解池（1分）
⑵陽極（1分）  N₂O₄＋2HNO₃－2e^－2N₂O₅＋2H^＋（2分）
⑶O₂＋4H^＋＋4e^－2H₂O（2分）
⑷13.4（2分）

本題是電解池和原電池的綜合。由于B裝置中c、d兩極均為惰性電極，不符合構成原電池的條件，因此可推知A裝置為原電池（可視作燃料電池），用來制備H₂SO₄，B裝置為電解池，用來制備N₂O₅，A裝置為B裝置的電解提供電能。A中通入SO₂的一極發生氧化反應，電極反應式為SO₂-2e^-+2H₂O4H⁺+SO₄^2-，通入O₂的一極發生還原反應，電極反應式為O₂＋4H^＋＋4e^－2H₂O。分析裝置B，N₂O₅是由N₂O₄氧化而來，則在陽極生成，電解池中與外電源正極相連的作陽極，由此得c 極區生成N₂O₅。換個角度思考：N₂O₅是硝酸的酸酐，極易和水反應，也不可能在d極區生成。在寫電極反應式時，要注意此處HNO₃是無水硝酸，溶液中不存在H^＋和NO₃^－ ，所以在電極反應式中應保留其化學式，電極反應式表示為N₂O₄＋2HNO₃－2e^－2N₂O₅＋2H^＋。⑷根據電極反應式SO₂-2e^-+2H₂O4H⁺+SO₄^2-可知：要使硫酸溶液的濃度維持不變，需要水的量由兩部分組成，一是反應消耗的水，二是稀釋用的水，每分鐘通入SO₂0.1mol，反應消耗水0.2mol，生成H₂SO₄0.1mol，根據原H₂SO₄的濃度（50%）知需要稀釋用水9.8g，因此共需水9.8g+3.6g13.4g。