Question

5．能源短缺是人類社會面臨的重大問題，利用化學反應可實現多種形式的能量相互轉化．請回答以下問題：
（1）甲醇是一種可再生能源，具有廣泛的開發和應用前景．已知在常壓下有如下變化：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=akJ/mol
②H₂O（g）═H₂O（l）△H=bkJ/mol
寫出液態甲醇完全燃燒生成二氧化碳和液態水的熱化學方程式：2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=（a+4b） kJ/mol．
（2）可利用甲醇燃燒反應設計一個燃料電池．如圖1，用Pt作電極材料，用氫氧化鉀溶液作電解質溶液，在兩個電極上分別充入甲醇和氧氣．
①寫出燃料電池正極的電極反應式O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．②若利用該燃料電池提供電源，與圖1右邊燒杯相連，在鐵件表面鍍銅，則鐵件應是B極（填“A”或“B”）；當鐵件的質量增重6.4g時，燃料電池中消耗氧氣的標準狀況下體積為1.12L．

（3）如果模擬工業上離子交換膜法制燒堿的方法，那么可以設想用如圖2裝置電解硫酸鉀溶液來制取氫氣、氧氣、硫酸和氫氧化鉀（電解槽內的陽離子交換膜只允許陽離子通過，陰離子交換膜只允許陰離子通過）．
①該電解槽的陽極反應式為4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，單位時間內通過陰離子交換膜的離子數與通過陽離子交換膜的離子數的比值為1：2．
②從出口D導出的溶液是KOH（填化學式）．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算所需熱化學方程式；
（2）①甲醇燃料電池，甲醇在負極失電子發生氧化反應，堿性溶液中生成碳酸鹽，正極是氧氣得到電子發生還原反應生成氫氧根離子；
②依據電鍍原理分析，待鍍金屬做陰極與電源負極相連，鍍層金屬做陽極與電源正極相連，含鍍層金屬離子的電解質溶液；依據電極反應和電子守恒計算得到；
（3）①電解硫酸鉀溶液，電解池中陽極電極反應是溶液中氫氧根離子失電子生成氧氣，陰離子交換膜和陽離子交換膜通過的離子根據電荷守恒分析計算；
②陰極附近溶液中氫離子得到電子生成氫氣，附近水的電離平衡被破壞，氫氧根離子濃度增大，D處是氫氧化鉀．

解答 解：（1）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=a kJ/mol
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=b kJ/mol
①+②×4得到液態甲醇完全燃燒生成二氧化碳和液態水的熱化學方程式：2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=（a+4b） kJ/mol，
故答案為：2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=（a+4b） kJ/mol；
（2）①用Pt作電極材料，用氫氧化鉀溶液作電解質溶液，在兩個電極上分別充入甲醇和氧氣，甲醇在負極失電子在堿溶液中生成鹽，氧氣在正極得到電子生成氫氧根離子，正極的電極反應式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②利用該燃料電池提供電源，與圖1右邊燒杯相連，在鐵件表面鍍銅，則鐵件做電解池的陰極，陰極與電源負極連接，裝置圖中與甲醇相連的B電極是陰極；當鐵件的質量增重6.4g時，Cu²⁺+2e^-=Cu，電子轉移0.2mol，燃料電池中消耗氧氣的電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，依據電子守恒計算消耗氧氣物質的量0.05mol，標準狀況下體積=0.05mol×22.4L/mol=1.12L；
故答案為：B；1.12；
（3）①裝置圖分析，與電源正極相連的為陽極，溶液中氫氧根離子失電子生成氧氣，電解槽的陽極反應式4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，單位時間內通過陰離子交換膜的離子數與通過陽離子交換膜的離子數，電解硫酸鉀溶液，陽極發生氧化反應，OH^-被氧化生成O₂，電極方程式為，SO₄^2-通過陰離子交換膜向陽極移動，鉀離子通過陽離子交換膜向陰極移動，由電荷守恒知鉀離子數目大于硫酸根離子數目，通過的離子數之比1：2；
故答案為：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；1：2；
②陰極附近溶液中氫離子得到電子生成氫氣，附近水的電離平衡被破壞，氫氧根離子濃度增大，D處是KOH，故答案為：KOH．

點評 本題考查化學反應能量變化，熱化學方程式和蓋斯定律的計算應用，原電池和電解池知識，為高考常見題型和高頻考點，側重于學生的分析能力和電化學知識的綜合運用，注意把握電極的判斷和電極方程式的書寫，為解答該題的關鍵，結合兩極轉移電子相等計算，難度中等．