Question

17．甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）高炉冶铁过程中，甲烷在催化反应室中产生水煤气（CO和H₂）还原氧化铁，有关反应为：CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1
则CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学方程式为2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1；
（2）如图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜．

①a处应通入CH₄（填“CH₄”或“O₂”），b处电极上发生的电极反应式是O₂+2H₂O+4e=4OH^-；②电镀结束后，装置Ⅰ中溶液的pH变小（填写“变大”“变小”或“不变”，下同），
装置Ⅱ中Cu²⁺的物质的量浓度不变；
③电镀结束后，装置Ⅰ溶液中的阴离子除了OH^-以外还含有CO₃^2-、HCO₃^-；
④若将装置I中电解质溶液换成硫酸溶液，则在工作过程中H⁺ 移向b电极（填“a”或“b”），a处电极上发生的电极反应式为CH₄+8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺．

Answer 1

分析 （1）已知CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1①，
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
将方程式2×①+②可得CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学方程式；
（2）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；
②根据I中氢氧根离子浓度变化确定溶液pH变化；II中发生电镀，阳极上溶解的铜质量等于阴极上析出铜的质量；
③I中还有碳酸根离子和碳酸氢根离子生成；
④II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，原电池中电解质溶液中阳离子移向正极，a处电极上发生的电极反应是甲烷失电子发生氧化反应生成二氧化碳，结合电荷守恒书写电极反应；

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，
将方程式2×①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ；
（2）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂，所以a处通入的气体是甲烷；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，b处通的是氧气，电极上发生的电极反应式是：O₂+2H₂O+4e=4OH^-；
故答案为：CH₄；O₂+2H₂O+4e=4OH^-；
②根据I中电池反应为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH参加反应导致溶液中KOH浓度降低，则溶液的pH减小；
II中发生电镀，阳极上溶解的铜质量等于阴极上析出铜的质量，则溶液中铜离子浓度不变，
故答案为：变小；不变；
③I中负极反应为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，所以还有碳酸根离子、碳酸氢根离子生成，离子为：CO₃^2-、HCO₃^-，
故答案为：CO₃^2-、HCO₃^-；
④II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，原电池中电解质溶液中阳离子移向正极，a处电极上发生的电极反应是甲烷失电子发生氧化反应生成二氧化碳，结合电荷守恒书写电极反应为：CH₄+8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺，
故答案为：b，CH₄+8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺；

点评 本题考查了盖斯定律、原电池和电解池原理，平衡标志和判断，图象分析方法，根据电解池中Cu、Fe电极上发生的反应确定燃料电池中正负极及电极上通入的气体，再结合转移电子相等计算，难点是电极反应式的书写，题目难度中等．