Question

（1）以天然气为原料经由合成气（CO、H₂）制化学品是目前天然气转化利用的主导技术路线，甲烷的部分氧化的热化学反应式如下：
2CH₄（g）+O₂ （g）═2CO （g）+4H₂（g）；△H=-71.2kJ?mol^-1．
有研究认为甲烷部分氧化的机理如下：
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-890.3kJ?mol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）；△H₂=+247.3kJ?mol^-1
③CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=

 

 250.3kJ?mol^-1
（2）电浮选凝聚法是工业上采用的一种污水处理方法．实验室模拟该方法设计的装置如图所示．

①图中燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，以甲烷为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料为电极．下列物质可用做电池中熔融碳酸盐的是

 

（填字母）． A．MgCO₃  B．Na₂CO₃  C． NaHCO₃ D．（NH₄）₂CO₃
②电解前污水的pH为5.0～6.0，电解一段时间可形成此金属氢氧化物胶体而使污水净化，电解池阳极反应式是

 

和4OH^--4e^-→2H₂O+O₂↑，则阳极产物相互反应生成某金属氢氧化物胶体的离子方程式是

 

．
③根据图示信息，已知正极的电极反应式是O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，则电池负极反应式是

 

．
④实验过程中，测得电解池阴极产生44.8L气体（标况），该气体把悬浮物带到水面形成浮渣层，同时在电池的负极通入16.8LCH₄（标况），则该电浮选凝聚装置的能量利用率为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,电解原理

专题：化学反应中的能量变化

分析：（1）根据盖斯定律来计算化学反应的焓变；
（2）活泼金属电极做电解池的阳极，通空气的一端是原电池的正极，连接的铁做电解池的阳极，所以铁电极本身放电；，电极反应为：Fe-2e^-=Fe²⁺，燃料电池中，正极发生的反应一定是氧气得电子的过程，该电池的电解质环境是熔融碳酸盐，所以电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2- （或2O₂+4CO₂+8e^-=4CO₃^2-），电池是以熔融碳酸盐为电解质，二氧化碳（CO₂）可以循环利用．以因为污水的pH在5.0～6.0之间，所以阴极的电极反应为：2H⁺+2e^-=H₂↑，根据此分析解题．
①燃料电池中，正极上氧化剂得电子发生还原反应；熔融碳酸盐性质要稳定，高温时不能分解；
②铁作阳极，阳极上生成Fe²⁺，阳极附近生成亚铁离子被氧化为铁离子，反应生成胶体Fe（OH）₃；
③燃料电池中，正极上氧化剂得电子发生还原反应，负极上是甲烷失电子发生氧化反应；
④污水的pH在5.0～6.0之间，所以阴极的电极反应为：2H⁺+2e^-=H₂↑，CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；依据电子守恒计算．

解答： 解：（1）①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）；△H₁=-890.3kJ?mol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）；△H₂=+247.3kJ?mol^-1
③2CH₄（g）+O₂ （g）═2CO （g）+4H₂（g）；△H=-71.2kJ?mol^-1．
CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=
根据盖斯定律，利用题干所给的热化学方程式，结合盖斯定律计算，[③×2-（①+②）]×

1

2

得到CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）；△H₃=+250.3KJ/mol；
故答案为：+250.3；
（2）①燃料电池中，正极上氧化剂氧气得电子和二氧化碳发生还原反应生成碳酸根离子，电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；熔融碳酸盐性质要稳定，高温时不能分解生成其它物质，
A．MgCO₃高温下分解生成氧化镁和二氧化碳而得不到碳酸根离子，故错误；   
B．Na₂CO₃性质较稳定，熔融状态下只发生电离而不发生分解反应，故正确；  
C．NaHCO₃性质不稳定，易分解而得不到碳酸根离子，故错误；
D．（NH₄）CO₃性质不稳定，易分解而得不到碳酸根离子，故错误；
故选B；
 ②阳极上Fe失电子生成亚铁离子，阴极上生成氢氧根离子，电解反应为：2Fe-4e^-═2Fe²⁺，阳极附近生成亚铁离子被氧化为铁离子，反应生成胶体Fe（OH）₃；离子反应方程式为：4Fe²⁺+O₂+10H₂O═4Fe（OH）₃（胶体）+8H⁺；
故答案为：2Fe-4e^-═2Fe²⁺；4Fe²⁺+O₂+10H₂O═4Fe（OH）₃（胶体）+8H⁺；
③燃料电池中甲烷在负极失电子发生 氧化反应在碱溶液中生成碳酸盐，电极反应式为：CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；
故答案为：CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-；
④实验过程中，测得电解池阴极产生44.8L气体（标况）物质的量为2mol，2H⁺+2e^-=H₂↑，电子转移4mol，该气体把悬浮物带到水面形成浮渣层，同时在电池的负极通入16.8LCH₄（标况）物质的量=

16.8L

22.4L/mol

=0.75mol，CH₄+4CO₃^2-→5CO₂+2H₂O+8e^-，电子转移0.75mol×8=6mol，则该电浮选凝聚装置的能量利用率

4mol

6mol

×100%=66.7%；
故答案为：66.7%．

点评：本题考查较综合，涉及了盖斯定律、原电池原理等知识点，明确燃烧热的内涵、原电池原理内涵即可解答，这些知识点都是高考热点，常常以综合题大题出现，涵盖了化学反应原理所有知识，利用教材基础知识采用知识迁移的方法进行解答，难度中等．