Question

膜技术原理在化工生产中有着广泛的应用。有人设想利用电化学原理制备少量硫酸和绿色硝化剂N₂O₅，装置图如下。

⑴A装置是________，B装置是_________(填“原电池”或“电解池”)。
⑵N₂O₅在电解池的______区生成，其电极反应式为_____________________________。
⑶通入O₂一极的电极反应式为_______________________________。
⑷若通入SO₂的速率为2.24 L·min^－1(标准状况)，为稳定持续生产，硫酸溶液的浓度应维持不变，则左侧水的流入速率应为_________mL·min^－1。

Answer 1

⑴原电池（1分）  电解池（1分）
⑵阳极（1分）  N₂O₄＋2HNO₃－2e^－2N₂O₅＋2H^＋（2分）
⑶O₂＋4H^＋＋4e^－2H₂O（2分）
⑷13.4（2分）

本题是电解池和原电池的综合。由于B装置中c、d两极均为惰性电极，不符合构成原电池的条件，因此可推知A装置为原电池（可视作燃料电池），用来制备H₂SO₄，B装置为电解池，用来制备N₂O₅，A装置为B装置的电解提供电能。A中通入SO₂的一极发生氧化反应，电极反应式为SO₂-2e^-+2H₂O4H⁺+SO₄^2-，通入O₂的一极发生还原反应，电极反应式为O₂＋4H^＋＋4e^－2H₂O。分析装置B，N₂O₅是由N₂O₄氧化而来，则在阳极生成，电解池中与外电源正极相连的作阳极，由此得c 极区生成N₂O₅。换个角度思考：N₂O₅是硝酸的酸酐，极易和水反应，也不可能在d极区生成。在写电极反应式时，要注意此处HNO₃是无水硝酸，溶液中不存在H^＋和NO₃^－ ，所以在电极反应式中应保留其化学式，电极反应式表示为N₂O₄＋2HNO₃－2e^－2N₂O₅＋2H^＋。⑷根据电极反应式SO₂-2e^-+2H₂O4H⁺+SO₄^2-可知：要使硫酸溶液的浓度维持不变，需要水的量由两部分组成，一是反应消耗的水，二是稀释用的水，每分钟通入SO₂0.1mol，反应消耗水0.2mol，生成H₂SO₄0.1mol，根据原H₂SO₄的浓度（50%）知需要稀释用水9.8g，因此共需水9.8g+3.6g13.4g。