Question

4．在298K，100kPa時．CH₄的燃燒熱是890.0kJ/mol，寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol．現(xiàn)有CH₄和CO的混合氣體0.75mol，完全燃燒后，生成CO₂氣體和18g液態(tài)水，共放出QkJ熱量（假定熱量未損失），則CH₄和CO的物質(zhì)的量的比為2：1．
（2）利用甲烷的燃燒反應(yīng)設(shè)計一個燃料電池，用氫氧化鉀溶液作電解質(zhì)溶液．多孔石墨作電極，在電極上分別通入甲烷和氧氣，通入甲烷氣體的電極上發(fā)生的電極反應(yīng)是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，當(dāng)電路中轉(zhuǎn)移12mol電子時，實際提供的電能是890.0kJ，則該電池的能量轉(zhuǎn)化效率是66.7%．
（3）將鐵棒和石墨棒插入盛有飽和NaCl溶液的U形管中形成如圖裝置：
①當(dāng)開關(guān)K₁閉合，則鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕中的吸氧腐蝕．
②當(dāng)開關(guān)K₂閉合，則總反應(yīng)的離子方程式為2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式書寫方法解答，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和反應(yīng)焓變；根據(jù)H元素守恒計算CH₄的物質(zhì)的量，進而計算CO的物質(zhì)的量；
（2）反應(yīng)中甲烷發(fā)生氧化反應(yīng)，而原電池負極發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)在負極通入甲烷，甲烷在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，根據(jù)反應(yīng)反應(yīng)方程式計算能量轉(zhuǎn)化率；
（3）①當(dāng)開關(guān)K₁閉合，則構(gòu)成原電池，在中性環(huán)境下，金屬發(fā)生的是吸氧腐蝕；
②當(dāng)開關(guān)K₂閉合，則構(gòu)成電解池，在陽極上發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，在陰極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，根據(jù)電解原理來回答．

解答 解：（1）在298K，100kPa時，CH₄的燃燒熱是890.0kJ/mol，在298K時，1mol CH₄在氧氣中完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水，放出熱量890.0kJ，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol；18克液態(tài)水的物質(zhì)的量=$\frac{18g}{18g/mol}$=1mol，根據(jù)H原子守恒可知n（CH₄）=$\frac{1mol×2}{4}$=0.5mol，故n（CO）=0.75mol-0.5mol=0.25mol，則CH₄和CO的物質(zhì)的量的比為2：1，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol；2：1；
（2）燃料電池中通入燃料的一極為負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，通入氧氣的一極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，故甲烷在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，電極方程式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，當(dāng)有12mol電子轉(zhuǎn)移時，消耗甲烷$\frac{12}{8}$mol，理論上產(chǎn)生熱量$\frac{12}{8}$mol×890.0kJ/mol，故能量轉(zhuǎn)化率=$\frac{890.0}{\frac{12}{8}×890.0}×100%$≈66.7%，
故答案為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；66.7%；
（3）①當(dāng)開關(guān)K₁閉合，則構(gòu)成原電池，在中性環(huán)境下，金屬發(fā)生的是吸氧腐蝕，故答案為：吸氧；
②當(dāng)開關(guān)K₂閉合，則構(gòu)成電解池，鐵是陰極，在陽極上氯離子發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，在陰極上氫離子發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，總反應(yīng)式：2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑，
故答案為：2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑．

點評 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、原電池與電解池的工作原理，明確電極反應(yīng)及利用電子守恒、元素守恒等計算是解答本題的關(guān)鍵，難度中等．