Question

1．甲醇被称为2l世纪的新型燃料．参考下列图表和有关要求回答问题：

（1）甲醇质子交换膜燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的一种原理是CH₃OH（g）和H₂O（g）反应生成CO₂和H₂．图1是该过程中能量变化示意图，请写反应进程CH₃OH（g）和H₂O（g）反应的热化学方程式CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol．
（2）甲醇质子交换膜燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的另一种反应原理是：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol又知H₂O（g）═H₂O（l）△H=d kJ/mol．则甲醇燃烧生成液态水的热化学方程式为2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol．
（3）以CH₃OH燃料电池为电源电解法制取ClO₂．二氧化氯（ClO₂）为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂．
①CH₃OH燃料电池放电过程中，通入O₂的电极附近溶液的pH增大（填“增大”、“减小”、“不变”）．
②图中电解池用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取 ClO₂．阳极产生 ClO₂的反应式为Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺．电解一段时间，从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L时（标准状况，忽略生成的气体溶解），停止电解，通过阳离子交换膜的阳离子为1mol．
③用平衡移动原理解释图2中电解池中阴极区pH增大的原因：在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，H⁺浓度减小，使得H₂O?OH^-+H⁺的平衡向右移动，OH^-浓度增大，pH增大．

Answer 1

分析 （1）反应能量图中生成物的总能量大于反应物的总能量，则为吸热反应，结合热化学方程式的书写规则分析；
（2）依据已知热化学方程式，利用盖斯定律进行计算；
（3）①CH₃OH燃料电池中通入甲醇的一极为负极，通入氧气的一极为正极，正极上氧气得电子生成氢氧根离子；
②由题意可知，氯离子放电生成ClO₂，由元素守恒可知，有水参加反应，同时生成氢离子；在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，设生成的氢气为xmol，由电子守恒可知，ClO₂的物质的量为$\frac{2}{5}$xmol，已知从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L，即x-$\frac{2}{5}$x=$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$；通过阳离子交换膜的阳离子为+1价离子，电子转移守恒计算阳离子的物质的量；
③电解时H⁺浓度减小，使得H₂O?OH^-+H⁺的平衡向右移动．

解答 解：（1）反应能量图中生成物的总能量大于反应物的总能量，则为吸热反应，由图可知，1mol 甲醇和1mol 水蒸气反应生成CO₂和氢气吸收的热量为（a-b）kJ，反应热化学方程式为CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol；
故答案为：CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol；
（2）①CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol；
②CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol；
 ③H₂O（g）═H₂O（l）△H=d kJ/mol
依据盖斯定律计算（①×6-②×4+③×4）得到2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
故答案为：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
（3）①CH₃OH燃料电池中通入甲醇的一极为负极，通入氧气的一极为正极，正极上氧气得电子生成氢氧根离子，溶液中氢氧根离子浓度增大，所以pH增大；
故答案为：增大；
②由题意可知，氯离子放电生成ClO₂，由元素守恒可知，有水参加反应，同时生成氢离子；在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，设生成的氢气为xmol，由电子守恒可知，ClO₂的物质的量为$\frac{2}{5}$xmol，已知从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L，即x-$\frac{2}{5}$x=$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$，解得x=0.5mol；故交换膜的阳离子的物质的量为0.5mol×2=1mol；
故答案为：1；
由题意可知，氯离子放电生成ClO₂，由元素守恒可知，有水参加反应，同时生成氢离子，电极反应式为：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺，
在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，氢气的物质的量为$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，通过阳离子交换膜的阳离子为+1价离子，故交换膜的阳离子的物质的量为0.005mol×2=0.01mol，
故答案为：Cl^--5e^-+2H₂O=ClO₂↑+4H⁺；0.01；
③在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，H⁺浓度减小，使得H₂O?OH^-+H⁺的平衡向右移动，OH^-浓度增大，pH增大；
故答案为：在阴极发生2H⁺+2e^-=H₂↑，H⁺浓度减小，使得H₂O?OH^-+H⁺的平衡向右移动，OH^-浓度增大，pH增大．

点评 本题考查较为综合，题目难度中等，题目涉及盖斯定律的应用、电解原理、化学计算等，电解反应是难点、易错点，是对学生综合能力的考查，需要学生具有扎实的基础与分析解决问题的能力．