Question

12．甲烷作為一種新能源在化學領域應用廣泛，請回答下列問題：
（1）高爐冶鐵過程中，甲烷在催化反應室中產(chǎn)生水煤氣（CO和H₂）還原氧化鐵，有關反應為：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1則CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ；
（2）如圖所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質(zhì)溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現(xiàn)鐵棒上鍍銅．
①a處應通入CH₄（填“CH₄”或“O₂”），b處電極上發(fā)生的電極反應式是O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②電鍍結束后，裝置Ⅰ中KOH溶液的濃度變�。ㄌ顚憽白兇蟆薄白冃　被颉安蛔儭�，下同），裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質(zhì)的量濃度不變；
③電鍍結束后，裝置Ⅰ溶液中的陰離子除了OH^-以外還含有CO₃^2-；
④在此過程中若完全反應，裝置Ⅱ中陰極質(zhì)量變化12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗氧氣2.24L（標準狀況下）．

Answer 1

分析 （1）已知CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1①，
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
將方程式2×①+②可得CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學方程式；
（2）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑；正極發(fā)生還原反應，氧氣得電子被還原；
②根據(jù)I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質(zhì)量等于陰極上析出銅的質(zhì)量；
③I中還有碳酸根離子生成；
④根據(jù)轉移電子相等計算消失氧氣的體積．

解答 解：（1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1①，
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
將方程式2×①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ；
（2）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑，所以a處通入的氣體是甲烷；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，b處通入氧氣，電極上發(fā)生的電極反應式是O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，
故答案為：CH₄；O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②根據(jù)I中電池反應為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應導致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減小；
II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質(zhì)量等于陰極上析出銅的質(zhì)量，則溶液中銅離子濃度不變，
故答案為：變��；不變；
③I中負極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，所以還有CO₃^2-離子生成，故答案為：CO₃^2-；
④裝置Ⅱ中陰極質(zhì)量變化12.8g，n（Cu）=$\frac{12.8g}{64g/mol}$=0.2mol，則轉移0.4mol電子，
串聯(lián)電路中轉移電子相等，由O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，可知消耗0.1mol氧氣，體積為2.24L，
故答案為：2.24．

點評 本題考查了蓋斯定律、原電池和電解池原理，根據(jù)電解池中Cu、Fe電極上發(fā)生的反應確定燃料電池中正負極及電極上通入的氣體，再結合轉移電子相等計算，難點是電極反應式的書寫．