Question

2．甲烷作為一種新能源在化學領域應用廣泛，請回答下列問題：
（1）高爐冶鐵過程中，甲烷在催化反應室中產(chǎn)生水煤氣（CO和H₂）還原氧化鐵，有關反應為：
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1，則CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1；
（2）如圖所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現(xiàn)鐵棒上鍍銅．
①a處應通入CH₄（填“CH₄”或“O₂”），b處電極上發(fā)生的電極反應式是2H₂O+O₂+4e^-═4OH^-；
②電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH變�。ㄌ顚憽白兇蟆薄白冃　被颉安蛔儭保�下同），裝置Ⅱ中Cu²⁺的物質的量濃度不變；
③若將裝置I中電解質溶液換成硫酸溶液，則在工作過程中H⁺ 移向b電極（填“a”或“b”），a處電極上發(fā)生的電極反應式為CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺．
（3）．若將③生成的CO₂4.48L（換算為標準狀況下）通入1L 0.3mol/L的NaOH溶液中，下列關系正確的是BCD
A．c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）
B．2c（Na⁺）=3[c（CO₃^2-）+c（HCO₃^-）+c（H₂CO₃）]
C．c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）
D．2c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（HCO₃^-）+3c（H₂CO₃）+2c（H⁺）

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
將方程式2①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g），根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學反應方程式；
（2）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；
②根據(jù)I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量；
③原電池中陽離子移向正極，陰離子移向負極，根據(jù)電極反應式進行計算即可．
（3）n（NaOH）=0.3mol，n（CO₂）=0.2mol，二者發(fā)生CO₂+3OH^-=HCO₃^-+CO₃^2-+H₂O，生成等物質的量的NaHCO₃和Na₂CO₃，溶液水解呈堿性，且水解程度CO₃^2-＞HCO₃^-，結合結合CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，以及電荷守恒、物料守恒解答該題．

解答 解：（1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
將方程式2①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ；
（2）①II中首先鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑，所以a處通入的氣體是甲烷；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應為CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄；CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根據(jù)I中電池反應為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應導致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減��；
II中發(fā)生電鍍，陽極上溶解的銅質量等于陰極上析出銅的質量，則溶液中銅離子濃度不變，
故答案為：變�。徊蛔�；
③原電池中陽離子移向正極，H⁺移向b電極，陰離子移向負極，a處是負極，電極上發(fā)生失電子的氧化反應，該電極上發(fā)生的電極反應式為CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺，故答案為：b；CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺；
（3）n（NaOH）=0.3mol，n（CO₂）=0.2mol，二者發(fā)生CO₂+3OH^-=HCO₃^-+CO₃^2-+H₂O，生成等物質的量的NaHCO₃和Na₂CO₃，溶液水解呈堿性，且水解程度CO₃^2-＞HCO₃^-，結合結合CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，
A．溶液呈電中性，溶液中陰陽離子所帶電荷相等，所以c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-），故A錯誤；
B．n（CO₃^2-）+n（HCO₃^-）+n（H₂CO₃）=0.2mol，n（Na⁺）=0.3mol，根據(jù)物料守恒得，2C（Na⁺）=3[c（H₂CO₃）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）]，故B正確；
C．n（CO₃^2-）+n（HCO₃^-）+n（H₂CO₃）=0.2mol，n（Na⁺）=0.3mol，又存在①CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，②HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，水解程度①＞②且水解程度都較小，則c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-），則有c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故C正確；
D．根據(jù)陰陽離子所帶電荷相等得c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-）①，根據(jù)物料守恒得2c（Na⁺）=3[c（H₂CO₃）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）]②，將方程式②-①×2得2c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（HCO₃^-）+3c（H₂CO₃）+2c（H⁺），故D正確．
故選BCD．

點評 本題考查了蓋斯定律、原電池和電解池原理，根據(jù)電解池中Cu、Fe電極上發(fā)生的反應確定燃料電池中正負極及電極上通入的氣體，再結合轉移電子相等計算，難點是電極反應式的書寫．