Question

天然氣的主要成分是甲烷（CH₄），甲烷燃燒時的能量變化如圖1所示．

（1）寫出甲烷完全燃燒生成CO₂和氣態(tài)水的熱化學(xué)方程式：

 

．
（2）已知H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol，則甲烷完全燃燒生成CO₂和18g液態(tài)水，放出的熱量是

 

．
（3）美國科學(xué)家設(shè)計出以甲烷為燃料的新型燃料電池，其成本大大低于以氫氣為燃料的傳統(tǒng)燃料電池．甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH，請寫出該電池工作時的總反應(yīng)方程式：

 

，圖2中，

 

（填“a”或“b”）極為正極．
（4）若用（3）中的甲烷燃料電池為電源，以石墨作為電極，電解熔融NaCl，當(dāng)生成92g金屬Na時，甲烷燃料電池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的甲烷的體積是

 

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Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,有關(guān)反應(yīng)熱的計算,化學(xué)電源新型電池

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化,電化學(xué)專題

分析：（1）分析圖示1可知甲烷燃燒 是放熱反應(yīng)，1mol甲烷燃燒生成CO₂和氣態(tài)水放熱=882KJ-80KJ=802KJ，依據(jù)熱化學(xué)方程式書寫方法寫出所需熱化學(xué)方程式；
（2）依據(jù)（1）中熱化學(xué)方程式和H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol，利用蓋斯定律計算得到甲烷完全燃燒生成CO₂和18g液態(tài)水的熱化學(xué)方程式，計算放出的熱量；
（3）甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH，甲烷和氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成碳酸鉀和水，依據(jù)原電池原理分析，燃料通入的一端為負(fù)極，氧氣通入的一端為正極；
（4）依據(jù)電極反應(yīng)和電子守恒計算消耗甲烷氣體的體積；

解答： 解：（1）甲烷燃燒 是放熱反應(yīng)，1mol甲烷燃燒生成CO₂和氣態(tài)水放熱=882KJ-80KJ=802KJ，反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
②H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算①-②×2得到：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol；
則甲烷完全燃燒生成CO₂和18g液態(tài)水為1mol，則反應(yīng)放熱=

1

2

mol×890kJ/mol=445KJ；
故答案為：445kJ；
（3）甲烷燃料電池的電解質(zhì)溶液為KOH，甲烷失電子在建溶液中生成碳酸鉀，氧氣得到電子生成氫氧根，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，燃料電池中甲烷失電子為負(fù)極反應(yīng)，氧氣得到電子為正極反應(yīng)，所以a電極為負(fù)極，b電極為正極；
故答案為：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，b；
（4）甲烷燃料電池中負(fù)極電極反應(yīng)CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，以石墨作為電極，電解熔融NaCl，當(dāng)生成92g金屬Na時物質(zhì)的量=

92g

23g/mol

=4mol，電極反應(yīng)Na⁺+e^-=Na，電子守恒計算甲烷燃料電池消耗標(biāo)準(zhǔn)狀況下的甲烷的體積CH₄～8e^-～8Na，甲烷氣體物質(zhì)的量=0.5mol，標(biāo)準(zhǔn)狀況氣體體積=0.5mol×22.4L/mol=11.2L；
故答案為：11.2L；

點(diǎn)評：本題考查了熱化學(xué)方程式書寫方法和蓋斯定律計算應(yīng)用，原電池原理分析判斷，電極反應(yīng)書寫和計算式解題關(guān)鍵，題目難度中等．