Question

10．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中溶液的pH變��；（填寫“變大”“變小”或“不變”）
裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質的量濃度不變；（填寫“變大”“變小”或“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-（忽略水解）；
④在此過程中若完全反應，裝置Ⅱ中陰極質量變化12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷1.12L（標準狀況下）．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律書寫熱化學反應方程式；
（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；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；
②根據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，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量；
③I中還有碳酸根離子生成；
④根據轉移電子相等計算消失甲烷的體積．

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2①+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，
故答案為：CH₄；CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根據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��；
II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量，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，所以還有碳酸根離子生成，故答案為：CO₃^2-；
④串聯(lián)電路中轉移電子相等，所以消耗甲烷的體積=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol×2}}{8}$=1.12L，故答案為：1.12．

點評 本題考查了蓋斯定律、原電池和電解池原理，根據電解池中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．