Question

3．新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH₄和O₂，電解質(zhì)為KOH溶液．某研究小組將甲烷燃料電池作為電源，進(jìn)行氯化鎂溶液電解實(shí)驗(yàn)，電解裝置如圖所示．
請(qǐng)回答下列問題：
（1）甲烷燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，電池工作期間，OH^-應(yīng)向負(fù)極（填“正”“負(fù)”）移動(dòng)．
（2）閉合開關(guān)K后，a、b電極上均有氣體產(chǎn)生，其中a電極上的氣體可用濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)，b電極上得到的氣體是H₂，電解氯化鈉溶液的離子方程式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑．
（3）若甲烷通入量為1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），且反應(yīng)完全，則理論上通過電解池的電子的物質(zhì)的量為0.4mol，產(chǎn)生的氯氣體積為4.48  L（標(biāo)準(zhǔn)狀況）．
（4）已知常溫常壓下，0.25molCH₄完全燃燒生成CO₂和H₂O時(shí)，放出222.5kJ熱量，請(qǐng)寫出CH₄燃燒熱的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol．
已知：①C（石墨）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ/mol
計(jì)算：C（石墨）與H₂（g）反應(yīng)生成1molCH₄（g）的△H=-75.1kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）甲烷燃料電池中，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；電池工作期間，陰離子向負(fù)極移動(dòng)；
（2）閉合K開關(guān)后，a是陽(yáng)極，b是陰極，陽(yáng)極上氯離子放電，用濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)氯氣，陰極上氫離子放電，同時(shí)溶液中生成氫氧化鈉；
（3）根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒結(jié)合電極反應(yīng)式來計(jì)算；
（4）燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物時(shí)放出的熱量；已知：①C（石墨）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ/mol以及③甲烷的燃燒熱熱化學(xué)方程式，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算即可．

解答 解：（1）甲烷燃料電池中，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH₄+10OH^--8e^-═CO₃^2-+7H₂O，電池工作期間，陰離子向負(fù)極移動(dòng)，OH^-應(yīng)向負(fù)極移動(dòng)
；故答案為：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；負(fù)；
（2）閉合K開關(guān)后，a是陽(yáng)極，b是陰極，a極上氯離子放電生成氯氣，電極方程式為2Cl^--2e^-=Cl₂，濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙，陰極上氫離子放電，產(chǎn)生氫氣，同時(shí)溶液中生成氫氧化鈉，所以電池反應(yīng)的離子方程式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑，故答案為：濕潤(rùn)的淀粉碘化鉀試紙；H₂；2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+Cl₂↑；
（3）若甲烷通入量為 1.12L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），則甲烷的物質(zhì)的量為$\frac{1.12L}{22.4L/mol}$=0.05mol，由CH₄+10OH^--8e^-═CO₃^2-+7H₂O，得轉(zhuǎn)移電子為0.4mol；
根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒得氯氣的體積=0.4mol×$\frac{1}{2}$×22.4L/mol=4.48L，
故答案為：0.4mol；4.48；
（4）相同條件下，0.25molCH₄完全燃燒生成CO₂和H₂O時(shí)，放出222.5kJ熱量，故1mol甲烷完全燃燒生成液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+2O₂ （g）=CO₂（g）+2H₂O（1）；△H=-890kJ/mol，已知：①C（石墨）+O₂（g）=CO₂（g）△H₁=-393.5kJ/mol；②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H₂=-571.6kJ/mol；③CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，C（石墨）與H₂（g）反應(yīng)生成1molCH₄（g）的反應(yīng)可以根據(jù)①+②-③得到，所以反應(yīng)的焓變=（-393.5kJ/mol）+（-571.6kJ/mol）-（-890kJ/mol ）=-75.1kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol；-75.1kJ/mol．

點(diǎn)評(píng) 本題涉及原電池和電解池的工作原理以及熱化學(xué)方程式的書寫和蓋斯定律的應(yīng)用知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，難度不大．