Question

（1）以天然氣為原料經(jīng)由合成氣（CO、H₂）制化學(xué)品是目前天然氣轉(zhuǎn)化利用的主導(dǎo)技術(shù)路線，甲烷的部分氧化的熱化學(xué)反應(yīng)式如下：
2CH₄（g）+O₂ （g）═2CO （g）+4H₂（g）；△H=-71.2kJ?mol^-1．
有研究認(rèn)為甲烷部分氧化的機(jī)理如下：
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-890.3kJ?mol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）；△H₂=+247.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=

 

 250.3kJ?mol^-1
（2）電浮選凝聚法是工業(yè)上采用的一種污水處理方法．實(shí)驗(yàn)室模擬該方法設(shè)計(jì)的裝置如圖所示．

①圖中燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，以甲烷為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料為電極．下列物質(zhì)可用做電池中熔融碳酸鹽的是

 

（填字母）． A．MgCO₃  B．Na₂CO₃  C． NaHCO₃ D．（NH₄）₂CO₃
②電解前污水的pH為5.0～6.0，電解一段時(shí)間可形成此金屬氫氧化物膠體而使污水凈化，電解池陽極反應(yīng)式是

 

和4OH^--4e^-→2H₂O+O₂↑，則陽極產(chǎn)物相互反應(yīng)生成某金屬氫氧化物膠體的離子方程式是

 

．
③根據(jù)圖示信息，已知正極的電極反應(yīng)式是O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，則電池負(fù)極反應(yīng)式是

 

．
④實(shí)驗(yàn)過程中，測得電解池陰極產(chǎn)生44.8L氣體（標(biāo)況），該氣體把懸浮物帶到水面形成浮渣層，同時(shí)在電池的負(fù)極通入16.8LCH₄（標(biāo)況），則該電浮選凝聚裝置的能量利用率為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,電解原理

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變；
（2）活潑金屬電極做電解池的陽極，通空氣的一端是原電池的正極，連接的鐵做電解池的陽極，所以鐵電極本身放電；，電極反應(yīng)為：Fe-2e^-=Fe²⁺，燃料電池中，正極發(fā)生的反應(yīng)一定是氧氣得電子的過程，該電池的電解質(zhì)環(huán)境是熔融碳酸鹽，所以電極反應(yīng)為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-），電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，二氧化碳（CO₂）可以循環(huán)利用．以因?yàn)槲鬯�的pH在5.0～6.0之間，所以陰極的電極反應(yīng)為：2H⁺+2e^-=H₂↑，根據(jù)此分析解題．
①燃料電池中，正極上氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)；熔融碳酸鹽性質(zhì)要穩(wěn)定，高溫時(shí)不能分解；
②鐵作陽極，陽極上生成Fe²⁺，陽極附近生成亞鐵離子被氧化為鐵離子，反應(yīng)生成膠體Fe（OH）₃；
③燃料電池中，正極上氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極上是甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
④污水的pH在5.0～6.0之間，所以陰極的電極反應(yīng)為：2H⁺+2e^-=H₂↑，CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；依據(jù)電子守恒計(jì)算．

解答： 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-890.3kJ?mol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）；△H₂=+247.3kJ?mol^-1
③2CH₄（g）+O₂ （g）═2CO （g）+4H₂（g）；△H=-71.2kJ?mol^-1．
CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=
根據(jù)蓋斯定律，利用題干所給的熱化學(xué)方程式，結(jié)合蓋斯定律計(jì)算，[③×2-（①+②）]×

1

2

得到CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=+250.3KJ/mol；
故答案為：+250.3；
（2）①燃料電池中，正極上氧化劑氧氣得電子和二氧化碳發(fā)生還原反應(yīng)生成碳酸根離子，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；熔融碳酸鹽性質(zhì)要穩(wěn)定，高溫時(shí)不能分解生成其它物質(zhì)，
A．MgCO₃高溫下分解生成氧化鎂和二氧化碳而得不到碳酸根離子，故錯(cuò)誤；   
B．Na₂CO₃性質(zhì)較穩(wěn)定，熔融狀態(tài)下只發(fā)生電離而不發(fā)生分解反應(yīng)，故正確；  
C．NaHCO₃性質(zhì)不穩(wěn)定，易分解而得不到碳酸根離子，故錯(cuò)誤；
D．（NH₄）CO₃性質(zhì)不穩(wěn)定，易分解而得不到碳酸根離子，故錯(cuò)誤；
故選B；
 ②陽極上Fe失電子生成亞鐵離子，陰極上生成氫氧根離子，電解反應(yīng)為：2Fe-4e^-═2Fe²⁺，陽極附近生成亞鐵離子被氧化為鐵離子，反應(yīng)生成膠體Fe（OH）₃；離子反應(yīng)方程式為：4Fe²⁺+O₂+10H₂O═4Fe（OH）₃（膠體）+8H⁺；
故答案為：2Fe-4e^-═2Fe²⁺；4Fe²⁺+O₂+10H₂O═4Fe（OH）₃（膠體）+8H⁺；
③燃料電池中甲烷在負(fù)極失電子發(fā)生 氧化反應(yīng)在堿溶液中生成碳酸鹽，電極反應(yīng)式為：CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；
故答案為：CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；
④實(shí)驗(yàn)過程中，測得電解池陰極產(chǎn)生44.8L氣體（標(biāo)況）物質(zhì)的量為2mol，2H⁺+2e^-=H₂↑，電子轉(zhuǎn)移4mol，該氣體把懸浮物帶到水面形成浮渣層，同時(shí)在電池的負(fù)極通入16.8LCH₄（標(biāo)況）物質(zhì)的量=

16.8L

22.4L/mol

=0.75mol，CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-，電子轉(zhuǎn)移0.75mol×8=6mol，則該電浮選凝聚裝置的能量利用率

4mol

6mol

×100%=66.7%；
故答案為：66.7%．

點(diǎn)評：本題考查較綜合，涉及了蓋斯定律、原電池原理等知識點(diǎn)，明確燃燒熱的內(nèi)涵、原電池原理內(nèi)涵即可解答，這些知識點(diǎn)都是高考熱點(diǎn)，常常以綜合題大題出現(xiàn)，涵蓋了化學(xué)反應(yīng)原理所有知識，利用教材基礎(chǔ)知識采用知識遷移的方法進(jìn)行解答，難度中等．