Question

15．Ⅰ、某小组间学设想用如图所示装置电解硫酸钾溶液来制取氧气、氢气、硫酸和氢氧化钾．
（1）X极与电源的正（填“正”或“负”）极相连，氢气从C（选填“A”、“B”、“C”或“D”）口导出．
（2）离子交换膜只允许一类离子通过，则M为阴离子（填“阴离子”或“阳离子”，下同）交换膜，N为阳离子交换膜．
（3）若将制得的氢气、氧气和氢氧化钾溶液组合为氢氧燃料电池（石墨为电极），则电池负极的电极反应式为H₂-2e^-+2OH^-═2H₂O．
Ⅱ、北京奥运会“祥云”火炬燃料是丙烷（C₃H₈），亚特兰大奥运会火炬燃料是丙烯（C₃H₆）．
（1）丙烷脱氢可得丙烯．
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
则相同条件下，反应C₃H₈（g）=CH₃CH═CH₂（g）+H₂（g）的△H=+124.2kJ•mol^-1．
（2）以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O₂和CO₂，负极通入丙烷，电解质是熔融的碳酸盐．电池反应方程式为C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O；放电时CO₃^2-移向电池的负（选填“正”或“负”）极．
（3）碳氢化合物完全燃烧生成CO₂和H₂O，常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，溶液的pH=5.60，[H₂CO₃]
=1.5×10^-5mol•L^-1．若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则H₂CO₃=HCO₃^-+H⁺的平衡常数K₁=4.2×10^-7mol•L^-1（已知：10^-5.60≈2.5×10^-6）．
（4）常温下，0.1mol•L^-1NaHCO₃溶液的pH大于8，则溶液中[H₂CO₃]＞[CO₃^2-]（选填“＞”“＜”或“=”）．

Answer 1

分析 Ⅰ、（1）根据加入的物质知，X电极附近生成硫酸，Y电极附近生成氢氧化钾，则X电极上氢氧根离子放电，Y电极上氢离子放电，所以X是阳极，Y是阴极，阳极与电源正极相连；阳极上生成氧气，阴极上生成氢气；
（2）电解过程中，电解质溶液中阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动；
（3）原电池中负极上失电子发生氧化反应；
Ⅱ、（1）依据盖斯定律结合已知热化学方程式计算得到；
（2）燃料电池中，负极电极反应式为C₃H₈-20e^-+10CO₃^2-=13CO₂+4H₂O，正极反应式为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，电解质溶液中阴离子向负极移动；
（3）依据平衡常数概念结合平衡状态下离子浓度和同时浓度计算得到；
（4）根据NaHCO₃溶液的中HCO₃^-的水解程度大于自身的电离程度来回答．

解答 解：Ⅰ、（1）题图中左边加入含硫酸的水，右侧加入含KOH的水，说明左边制硫酸，右边制备KOH溶液，氢氧根离子在阳极放电，同时电解后溶液呈酸性，氢离子在阴极放电，同时电解后溶液呈碱性，则X为阳极，Y为阴极，所以X连接电源正极；
Y电极上氢离子放电生成氢气，所以氢气从C口导出，
故答案为：正；C；
（2）OH^-在阳极发生氧化反应，使左边溶液中H⁺增多，为了使溶液呈电中性，硫酸钾溶液中的SO₄^2-通过M交换膜向左边迁移，即M为阴离子交换膜；
H⁺在Y极发生还原反应，使右边溶液中OH^-增多，硫酸钾溶液中K⁺向右迁移，N为阳离子交换膜，
故答案为：阴离子；阳离子；
（3）氢氧燃料碱性电池中，通入氢气的电极是负极，负极上氢气失电子发生氧化反应，电极反应式为
H₂-2e^-+2OH^-═2H₂O，
故答案为：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
依据盖斯定律①-②得到：C₃H₈（g）→CH₃CH=CH₂（g）+H₂（g）△H=+124.2KJ/mol，
故答案为：+124.2；
（2）燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，正极上氧化剂得电子发生还原反应，负极电极反应式为C₃H₈-20e^-+10CO₃^2-=13CO₂+4H₂O，正极反应式为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，所以其电池反应式为C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O，放电时，电解质中阴离子碳酸根离子向负极移动，
故答案为：C₃H₈+5O₂═3CO₂+4H₂O；负；
（3）常温常压下，空气中的CO₂溶于水，达到平衡时，溶液的pH=5.60，c（H⁺）=c（HCO₃^-）=10^-5.6mol/L；c（H₂CO₃）=1.5×10^-5 mol•L^-1．若忽略水的电离及H₂CO₃的第二级电离，则H₂CO₃的第一级电离的平衡常数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，故答案为：4.2×10^-7 mol•L^-1；
（4）因NaHCO₃溶液显碱性，HCO₃^-的水解程度大于自身的电离程度，即NaHCO₃溶液中既存在电离平衡为HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，水解平衡为HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，而HCO₃^-水解程度大于电离程度，
故答案为：＞；因为NaHCO₃溶液中既存在电离平衡：HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，又存在水解平衡：HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，而HCO₃^-水解程度大于电离程度．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、原电池和电解池原理、平衡常数的计算，正确推断电解池阴阳极是解本题关键，根据加入水溶液的溶质确定电极产物，结合电极产物确定阴阳极，再结合转移电子守恒进行有关计算，难度中等．