Question

4．能源是國民經濟發(fā)展的重要基礎，我國目前使用的能源主要是化石燃料．
（1）在25℃、101kPa時，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量是890.31kJ，則CH₄燃燒的熱化學方程式為CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ．
（2）如圖所示組成閉合回路，其中，甲裝置中CH₄為負極，O₂和CO₂的混合氣體為正極，稀土金屬材料為電極，以熔融碳酸鹽為電解質；乙裝置中a、b為石墨，b極上有紅色物質析出，CuSO₄溶液的體積為200mL．

①甲裝置中氣體A為CH₄（填“CH₄”或“O₂和CO₂”），d極上的電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
②乙裝置中a極上的電極反應式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O．
若在a極產生112mL（標準狀況）氣體，則甲裝置中消耗CH₄56 mL （標準狀況），乙裝置中所得溶液的pH=1．（忽略電解前后溶液體積變化）
③如果乙中電極不變，將溶液換成飽和Na₂SO₄溶液，當陰極上有a mol氣體生成時，同時有w g Na₂SO₄•10H₂O晶體析出，若溫度不變，剩余溶液中溶質的質量分數應為$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$（用含w、a的表達式表示，不必化簡）．

Answer 1

分析 （1）16g甲烷的物質的量是1mol，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量是890.31kJ，即1molCH₄完全燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量是890.31kJ，據此書寫熱化學方程式；
（2）①b電極上有紅色物質生成，則b是陰極，所以a是陽極，c是負極、d是正極，通入甲烷的電極是負極，所以A是甲烷、B是二氧化碳和氧氣，d電極上氧氣得電子和二氧化碳反應生成碳酸根離子；
②a是陽極，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣；
根據轉移電子相等計算消耗甲烷體積；根據氧氣和氫離子之間的關系式計算氫離子物質的量濃度，從而確定pH；
③電解飽和硫酸鈉溶液時，陽極上析出氧氣、陰極上析出氫氣，所以相當于電解水，且生成氫氣和氧氣的物質的量之比是2：1，所以當陰極上有a mol氣體生成時，陽極上生成氧氣物質的量為0.5amol，電解水的質量=amol×2g/mol+0.5amol×32g/mol=18ag，
剩余溶液仍然是飽和溶液，生成m（Na₂SO₄）=wg×$\frac{142}{322}$，
溶液質量分數=$\frac{wg×\frac{142}{233}}{wg+18ag}×100%$．

解答 解：（1）16g甲烷的物質的量是1mol，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量是890.31kJ，即1molCH₄完全燃燒生成液態(tài)水時放出的熱量是890.31kJ，所以甲烷的燃燒熱化學方程式為CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ；
（2）①b電極上有紅色物質生成，則b是陰極，所以a是陽極，c是負極、d是正極，通入甲烷的電極是負極，所以A是CH₄、B是二氧化碳和氧氣，d電極上氧氣得電子和二氧化碳反應生成碳酸根離子，電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案為：CH₄；O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
②a是陽極，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
a極上生成n（O₂）=$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，生成0.005mol氧氣轉移電子物質的量=0.005mol×4=0.02mol，根據轉移電子相等計算消耗甲烷體積=$\frac{0.02mol}{8}×22.4L/mol$=56mL；
電池反應式為2Cu²⁺+2H₂O=4 H⁺+O₂↑+2Cu，根據方程式知，n（ H⁺）=4n（O₂）=4×0.005mol=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，則溶液的pH=1，
故答案為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；56；1；
③電解飽和硫酸鈉溶液時，陽極上析出氧氣、陰極上析出氫氣，所以相當于電解水，且生成氫氣和氧氣的物質的量之比是2：1，所以當陰極上有a mol氣體生成時，陽極上生成氧氣物質的量為0.5amol，電解水的質量=amol×2g/mol+0.5amol×32g/mol=18ag，
剩余溶液仍然是飽和溶液，生成m（Na₂SO₄）=wg×$\frac{142}{322}$，
溶液質量分數=$\frac{wg×\frac{142}{322}}{wg×18ag}×100%$=$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$，
故答案為：$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$．

點評 本題考查熱化學反應方程式的書寫、原電池和電解池原理及質量分數有關計算，側重考查學生分析計算能力，明確各個電極上發(fā)生的反應結合轉移電子相等進行有關計算，難點是（2）③計算，利用析出晶體與電解水計算溶液質量分數即可，題目難度不大．