Question

【題目】（1）甲醇（CH3OH，常溫下為液態(tài)）是一種常用的能源物質(zhì)。

①甲醇的熱值為23 kJ · g－1。寫出甲醇燃燒熱的熱化學方程式：_________________________。

②以甲醇為原料設計成燃料電池：若以熔融Na2CO3作為電解質(zhì)，一極充入甲醇，另一極充入空氣和CO2氣體。回答下列問題：

充入空氣和CO2氣體的電極為__________極，該電池的總反應式：_____________________，充入甲醇電極的反應式：______________________________________。

③若用該燃料電池為電源，用石墨電極電解250 mL CuSO4溶液。則與充入空氣和CO2氣體的電極相連的是電解池的_______極；與甲醇電極相連的電極反應式為______________________；若燃料電池中消耗0.05 mol甲醇，電解池中共產(chǎn)生標準狀況下氣體2.24 L， 則原 CuSO4溶液濃度為________mol·L－1（假設電解前后溶液體積不變）。

（2）以四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]水溶液為原料，通過電解法可以制備四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]，裝置如圖所示。寫出該電解的總反應_________________________________。

Answer 1

【答案】CH3OH(l)＋3/2O2(g)＝CO2(g)＋2H2O(l)，ΔH1＝－736 kJ·mol－1 正 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O CH3OH－6e－＋3CO32－＝4CO2＋2H2O 陽 Cu2++2e-＝Cu 0.5 2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑

【解析】

(1) ①101kPa下，1mol純物質(zhì)完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物時所釋放的熱量稱為該物質(zhì)的燃燒熱，據(jù)此寫出甲醇燃燒熱的熱化學方程式；

②以熔融Na2CO3作為電解質(zhì)的甲醇燃料電池的總反應：CH3OH+O2=CO2+2H2O，從分析化合價入手確定電池的正、負極及電極反應式；

③以甲醇燃料電池為電源電解CuSO4溶液時，在電解池中與電源正極相連的為陽極，與電源負極相連的為陰極，陰極發(fā)生還原反應，據(jù)此寫出陰極反應式。甲醇燃料電池與電解池是串聯(lián)的，根據(jù)電路中轉(zhuǎn)移的電子守恒，利用討論法分析電解產(chǎn)生的2.24L氣體是純O2還是H2和O2的混合氣體，來確定CuSO4被電解完后是否有水被電解，再根據(jù)反應式的計量關系進行相關計算；

(2) 分析四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]和四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]的化學式可知，由四甲基氯化銨轉(zhuǎn)化為四甲基氫氧化銨即將-Cl替換為-OH（羥基），再結(jié)合電解池中陽極發(fā)生氧化反應，陰極發(fā)生還原反應確定電解過程中還會產(chǎn)生Cl2和H2，據(jù)此寫出總反應的化學方程式。

(1) ①甲醇的摩爾質(zhì)量為32g/mol，1mol甲醇完全燃燒生成CO2(g)和H2O(l)時釋放出的熱量=32g/mol×1mol×23kJ/g=736kJ，甲醇燃燒熱的熱化學方程式為CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)，△H=-736kJ/mol。

② 以熔融Na2CO3作為電解質(zhì)的甲醇燃料電池的總反應：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O，其中氧元素化合價由0價降低到-2價，故O2得電子發(fā)生還原反應，所以充入空氣和CO2的一極是正極；甲醇中碳元素化合價由-2價升高到+4價，每個碳原子得6個電子，充入甲醇的一極為負極，其電極反應為CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O。

③由上面分析可知，甲醇燃料電池中充入空氣和CO2氣體的一極為正極；充入甲醇的一極為負極。在以甲醇燃料電池為電源的電解池中與電源正極相連的為陽極，即與充入空氣和CO2氣體的一極相連的為電解池的陽極。與甲醇電極相連的為電解池的陰極，電解池的陰極發(fā)生還原反應，其電極反應式為Cu2++2e-=Cu。用石墨電極電解CuSO4溶液總反應式為2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4~轉(zhuǎn)移電子4e-。由燃料電池負極反應式CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O可知，每消耗0.05 mol甲醇時電路中轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量=0.05mol×6=0.3mol，再由電解CuSO4的陽極反應式2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋可知，產(chǎn)生的2.24 L氣體若是純O2，則此時轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量=4×=0.4mol>0.3mol，說明電解產(chǎn)生的2.24L氣體是H2和O2的混合氣體，即CuSO4電解結(jié)束后又繼續(xù)電解水：2H2O2H2↑+O2↑~轉(zhuǎn)移電子4e-。設原CuSO4溶液中含CuSO4物質(zhì)的量為x，電解CuSO4轉(zhuǎn)移的電子物質(zhì)的量為2x，則電解水轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量=0.3mol-2x，電解池共產(chǎn)生氣體物質(zhì)的量=×2x+×(0.3mol-2x)= ，解得x=0.125mol，所以原CuSO4溶液濃度==0.5mol/L。

(2)分析四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]和四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]的化學式可知，由四甲基氯化銨轉(zhuǎn)化為四甲基氫氧化銨即將-Cl替換為-OH（羥基），氯原子可在陽極放電生成Cl2，-OH可有陰極H2O的H+放電產(chǎn)生的OH-轉(zhuǎn)化而來：2H2O+4e-=2H2↑+4OH-，所以電解產(chǎn)物還應有Cl2和H2，總反應方程式為2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑。