Question

15．Ⅰ、某小組間學設想用如圖所示裝置電解硫酸鉀溶液來制取氧氣、氫氣、硫酸和氫氧化鉀．
（1）X極與電源的正（填“正”或“負”）極相連，氫氣從C（選填“A”、“B”、“C”或“D”）口導出．
（2）離子交換膜只允許一類離子通過，則M為陰離子（填“陰離子”或“陽離子”，下同）交換膜，N為陽離子交換膜．
（3）若將制得的氫氣、氧氣和氫氧化鉀溶液組合為氫氧燃料電池（石墨為電極），則電池負極的電極反應式為H₂-2e^-+2OH^-═2H₂O．
Ⅱ、北京奧運會“祥云”火炬燃料是丙烷（C₃H₈），亞特蘭大奧運會火炬燃料是丙烯（C₃H₆）．
（1）丙烷脫氫可得丙烯．
已知：C₃H₈（g）=CH₄（g）+HC≡CH（g）+H₂（g）△H₁=156.6kJ•mol^-1
     CH₃CH═CH₂（g）=CH₄（g）+HC≡CH（g）△H₂=32.4kJ•mol^-1
則相同條件下，反應C₃H₈（g）=CH₃CH═CH₂（g）+H₂（g）的△H=+124.2kJ•mol^-1．
（2）以丙烷為燃料制作新型燃料電池，電池的正極通入O₂和CO₂，負極通入丙烷，電解質(zhì)是熔融的碳酸鹽．電池反應方程式為C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O；放電時CO₃^2-移向電池的負（選填“正”或“負”）極．
（3）碳氫化合物完全燃燒生成CO₂和H₂O，常溫常壓下，空氣中的CO₂溶于水，達到平衡時，溶液的pH=5.60，[H₂CO₃]
=1.5×10^-5mol•L^-1．若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則H₂CO₃=HCO₃^-+H⁺的平衡常數(shù)K₁=4.2×10^-7mol•L^-1（已知：10^-5.60≈2.5×10^-6）．
（4）常溫下，0.1mol•L^-1NaHCO₃溶液的pH大于8，則溶液中[H₂CO₃]＞[CO₃^2-]（選填“＞”“＜”或“=”）．

Answer 1

分析 Ⅰ、（1）根據(jù)加入的物質(zhì)知，X電極附近生成硫酸，Y電極附近生成氫氧化鉀，則X電極上氫氧根離子放電，Y電極上氫離子放電，所以X是陽極，Y是陰極，陽極與電源正極相連；陽極上生成氧氣，陰極上生成氫氣；
（2）電解過程中，電解質(zhì)溶液中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動；
（3）原電池中負極上失電子發(fā)生氧化反應；
Ⅱ、（1）依據(jù)蓋斯定律結合已知熱化學方程式計算得到；
（2）燃料電池中，負極電極反應式為C₃H₈-20e^-+10CO₃^2-=13CO₂+4H₂O，正極反應式為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，電解質(zhì)溶液中陰離子向負極移動；
（3）依據(jù)平衡常數(shù)概念結合平衡狀態(tài)下離子濃度和同時濃度計算得到；
（4）根據(jù)NaHCO₃溶液的中HCO₃^-的水解程度大于自身的電離程度來回答．

解答 解：Ⅰ、（1）題圖中左邊加入含硫酸的水，右側(cè)加入含KOH的水，說明左邊制硫酸，右邊制備KOH溶液，氫氧根離子在陽極放電，同時電解后溶液呈酸性，氫離子在陰極放電，同時電解后溶液呈堿性，則X為陽極，Y為陰極，所以X連接電源正極；
Y電極上氫離子放電生成氫氣，所以氫氣從C口導出，
故答案為：正；C；
（2）OH^-在陽極發(fā)生氧化反應，使左邊溶液中H⁺增多，為了使溶液呈電中性，硫酸鉀溶液中的SO₄^2-通過M交換膜向左邊遷移，即M為陰離子交換膜；
H⁺在Y極發(fā)生還原反應，使右邊溶液中OH^-增多，硫酸鉀溶液中K⁺向右遷移，N為陽離子交換膜，
故答案為：陰離子；陽離子；
（3）氫氧燃料堿性電池中，通入氫氣的電極是負極，負極上氫氣失電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為
H₂-2e^-+2OH^-═2H₂O，
故答案為：H₂-2e^-+2OH^-═2H₂O；
Ⅱ、（1）①C₃H₈（g）→CH₄（g）+HC≡CH（g）+H₂（g）△H₁=156.6kJ•mol^-1
②CH₃CH=CH₂（g）→CH₄（g）+HC≡CH（g）△H₂=32.4kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①-②得到：C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g）△H=+124.2KJ/mol，
故答案為：+124.2；
（2）燃料電池中，負極上燃料失電子發(fā)生氧化反應，正極上氧化劑得電子發(fā)生還原反應，負極電極反應式為C₃H₈-20e^-+10CO₃^2-=13CO₂+4H₂O，正極反應式為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，所以其電池反應式為C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O，放電時，電解質(zhì)中陰離子碳酸根離子向負極移動，
故答案為：C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O；負；
（3）常溫常壓下，空氣中的CO₂溶于水，達到平衡時，溶液的pH=5.60，c（H⁺）=c（HCO₃^-）=10^-5.6mol/L；c（H₂CO₃）=1.5×10^-5 mol•L^-1．若忽略水的電離及H₂CO₃的第二級電離，則H₂CO₃的第一級電離的平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（{H}^{+}）•c（HC{O}_{3}-）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$=$\frac{1{0}^{-5.6}×1{0}^{-5.6}}{1.5×1{0}^{-5}}$=4.2×10^-7 mol•L^-1，故答案為：4.2×10^-7 mol•L^-1；
（4）因NaHCO₃溶液顯堿性，HCO₃^-的水解程度大于自身的電離程度，即NaHCO₃溶液中既存在電離平衡為HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，水解平衡為HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，而HCO₃^-水解程度大于電離程度，
故答案為：＞；因為NaHCO₃溶液中既存在電離平衡：HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，又存在水解平衡：HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，而HCO₃^-水解程度大于電離程度．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、原電池和電解池原理、平衡常數(shù)的計算，正確推斷電解池陰陽極是解本題關鍵，根據(jù)加入水溶液的溶質(zhì)確定電極產(chǎn)物，結合電極產(chǎn)物確定陰陽極，再結合轉(zhuǎn)移電子守恒進行有關計算，難度中等．