Question

【题目】甲烷是天然气的主要成分，是一种重要的清洁能源和化工原料。

Ⅰ.煤制天然气时会发生多个反应，生产过程中有多种途径生产CH4。

已知：

① CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH＝－41kJ·mol－1

② C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH＝－73kJ·mol－1

③ 2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH＝－171kJ·mol－1

写出CO2与H2反应生成CH4和H2O的热化学方程式____________________。

Ⅱ.新型高效的甲烷燃料电池采用铂为电极材料，两电极上分别通入CH4和O2，电解质为KOH溶液。某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液（滴有几滴酚酞）电解实验，如图所示：

回答下列问题：

（1）①用甲烷燃料电池作为电化学降解NO3-装置的直流电源时，应将A与_____相连（填a或b，下同）B与_____相连。阴极反应式为_____________。

②若电解过程中转移了2mol电子，则膜的两侧电解液的质量变化差（Δm左- Δm右）为________g。

（2）甲烷燃料电池正极、负极的电极反应分别为________ 、_________。

（3）若每个电池甲烷通入量为1 L（标准状况），且反应完全，则图二电解池中理论上Pt最多能产生的氯气体积为________L（标准状况）。

Answer 1

【答案】 CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2 (g) ΔH＝－162kJ·mol－1 a b 2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O 14.4 2O2+4H2O +8e—=8OH— CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O 4

【解析】Ⅰ.已知：① CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH1＝－41kJ·mol－1

② C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH2＝－73kJ·mol－1

③ 2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH3＝－171kJ·mol－1

根据盖斯定律②+③-①×2可得：CO2(g)+4H2(g)= CH4(g)+2H2O (g) ΔH=ΔH2+ΔH3-ΔH1×2=－73kJ·mol－1+（－171kJ·mol－1）-（－41kJ·mol－1）×2=－162kJ·mol－1，故答案为：CO2(g)+4H2(g)= CH4(g)+2H2O (g) ΔH= －162kJ·mol－1；

Ⅱ. （1）①用甲烷燃料电池作为电化学降解NO3-装置的直流电源时，硝酸根离子转化为氮气，其中氮元素化合价降低，得电子，则连接B电极的为电解池的阴极，应将B与电源的负极相连，在图1中燃料电池甲烷应该为负极，即连接b，故A与a相连。阴极是硝酸根离子得电子产生氮气，其反应式为：2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH-或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O；②根据图示装置，阳极反应为2H2O-4e－=O2↑+4H＋，转移2mol电子时，阳极消耗1mol水，产生2molH+进入阴极室，阳极室质量减少18g；阴极反应为12H＋+2NO3-+10e－=N2↑+6H2O，阴极室中放出0.2molN2（5.6g），同时有2molH+（2g）进入阴极室，因此阴极室质量减少3.6g，膜两侧电解液的质量变化差（Δm左- Δm右）＝18g-3.6g＝14.4g；（2）在碱性条件下，甲烷燃料电池正极氧气得电子产生氢氧根离子、负极甲烷失电子在碱性条件下生成碳酸根离子和水，其电极反应分别为：2O2+4H2O +8e—=8OH—，CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O；（3）若每个电池甲烷通入量为1 L（标准状况），由于图中的两个电池是串联，故可知线路上转移的电子与一个燃料电池时相同，根据反应式CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O，可知通入1mol甲烷时失电子8mol，当甲烷为1L时为mol，转移电子数为mol；进行饱和氯化钠溶液电解，阳极产生氯气的电极反应为：2Cl- -2e-=Cl2↑，产生1 mol氯气转移2mol电子，根据电解池与原电池转移电子总数相等，当转移电子mol时，产生氯气为mol，即为mol22.4L/mol=4L。