Question

13．（1）有关化学反应的能量变化如图1所示．合成氨用的氢气可以甲烷为原料制得，请写出CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO（g）和H₂（g）的热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂ （g）△H=+161.1kJ•mol^-1．

（2）液体燃料电池相比于气体燃料电池具有体积小，无需气体存储装置等优点．一种以肼（N₂H₄）为燃料的电池装置如图2所示．该电池用空气中的氧气作为氧化剂，KOH作为电解质．回答有关问题：
①电流从右侧电极经过负载后流向左侧电极（填“左或右”）；
②负极发生的电极反应式为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O
③该燃料电池的离子交换膜需选用阴离子交换膜（填“阳离子”或“阴离子”）
④常温下，用该电池电解400mL的饱和硫酸铜溶液（电极为惰性电极），电极表面水的电离平衡右移动（填“向左”“向右”或“不”）；当消耗32mg液态肼时，电解后溶液的pH=2 （不考虑体积变化）．

Answer 1

分析 （1）依据图象分析各个反应过程中能量变化情况，写出热化学方程式，依据盖斯定律计算CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO（g）和H₂（g）的反应热，据此写出热化学方程式；
（2）该燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，左侧为负极，电极反应式为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O，正极上氧气得电子发生还原反应，右侧为正极，电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，电池总反应为：N₂H₄+O₂=N₂↑+2H₂O，结合离子的移动方向、电流的方向，电子守恒规律分析解答①②③；
④用惰性电极电极硫酸铜，阳极上水电离产生的氢氧根离子失去电子发生氧化反应，促进水的电离；
串联电路中电解池、原电池中各个电极上通过的电量相等，依据消耗32mg液态肼时，计算各个电极上转移的电子的数目，依据电解池阳极发生反应4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，计算消耗的氢氧根离子，进而计算生成的氢离子的物质的量和物质的量浓度，依据pH计算公式求溶液pH值．

解答 解：（1）由图象分析反应过程都是能量降低的过程，说明反应是放热反应；反应的热化学方程式分别为：
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-846.3KJ/mol
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-282KJ/mol
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8KJ/mol
由盖斯定律①-③×3-②得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂ （g）△H=+161.1kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂ （g）△H=+161.1kJ•mol^-1；
（2）①该燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，左侧为负极，右侧为正极，电流从正极出发经过负载流向负极，
故答案为：右；左；
②负极上燃料失电子发生氧化反应，左侧为负极，电极反应式为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O；
故答案为：N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O；
③该原电池中，正极上生成氢氧根离子，所以离子交换膜要选取阴离子交换膜，
故答案为：阴离子；
④惰性电极电极硫酸铜溶液时，水中氢氧根离子在阳极上放电，不断消耗，促进了水的电离，使水的电离平衡向右移动；
依据N₂H₄+4OH^--4e^-=N₂↑+4H₂O可知消耗32g肼转移4mol电子，所以消耗32mg液态肼时，转移电子数为0.004mol，电极池中4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，转移0.004mol电子，消耗0.004molOH^-，同时生成0.004molH⁺，所以C（H⁺）=$\frac{0.004mol}{0.4L}$=0.01mol，溶液的pH=-lg[H⁺]=2；
故答案为：右；2．

点评 本题考查了热化学方程式的书写、燃料电池、电解池工作原理，熟悉盖斯定律计算反应热的方法和燃料电池、电解池工作原理是解题关键，注意有关电化学计算中电子守恒的应用．