Question

5．由氫氣和氧氣反應生成1mol水蒸氣，放出241.8kJ熱量（25℃、101kPa下測得）
（1）寫出該反應的熱化學方程式：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol
（2）若1g水蒸氣轉化為液態水放熱2.5kJ，則氫氣的燃燒熱為△H=-286.8 kJ•mol^-1．
（3）利用燃料燃燒的能量變化可以設計燃料電池，進行相關實驗探究．已知用酸性氫氧燃料電池為電源進行電解的實驗裝置示意圖如圖所示．

①燃料電池工作時，正極電極反應為：O₂+4H⁺+4e-=2H₂O
②若a極是銅，b極是鐵，電解一段時間后，兩電極質量差為16克，理論上消耗標準狀況下氫氣體積為2.8L （不考慮能量損耗）．

Answer 1

分析 （1）由氫氣和氧氣反應生成1mol水蒸氣，放出241.8kJ熱量，標注物質聚集狀態和對應反應的焓變寫出熱化學方程式；
（2）氫氣的燃燒熱是值1mol氫氣完全燃燒生成液態水放出的熱量，單位是kJ/mol，計算18g水蒸氣生成液態水放出的熱量，結合氫氣與氧氣反應生成氣態水的反應熱計算生成液態水的反應熱，進而求解氫氣的燃燒熱；
（3）①燃料電池為氫氧燃料電池，電解質溶液為酸性溶液，氫氣在負極失電子發生氧化反應酸性介質中生成氫離子，氧氣在正極得到電子發生還原反應，酸性介質中生成水；
②若a極是銅和原電池正極相連為電解池的陽極，b極是鐵和電源負極相連為電解池的陰極，電解一段時間后，陽極Cu-2e-=Cu²⁺，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e-=Cu，兩極質量變化128g，電子轉移2mol，兩電極質量差為16克，計算得到電子轉移0.25mol，結合電子守恒計算生成氫氣標準狀況下的體積；

解答 解：（1）氫氣和氧氣反應生成1mol水蒸氣放熱241.8kJ，該反應的熱化學方程式為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol，
故答案為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol；
（2）1g水蒸氣轉化成液態水放熱2.5kJ，故18g水蒸氣轉化成液態水放出熱量2.5kJ×18=45kJ，
①H₂O（g）=H₂O（l）△H=-45KJ/mol，
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ/mol，
依據蓋斯定律計算①+②得到，反應H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）的反應熱△H=-（241.8kJ/mol+45kJ/mol）=-286.8kJ/mol，氫氣的燃燒熱方程式為：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H=-286.8kJ/mol，故氫氣的燃燒熱為286.8kJ/mol，
故答案為：-286.8 kJ•mol^-1；
（3）①燃料電池為氫氧燃料電池，電解質溶液為酸性溶液，氫氣在負極失電子發生氧化反應酸性介質中生成氫離子，H₂-2e^-=2H⁺，氧氣在正極得到電子發生還原反應，酸性介質中生成水電極反應為：O₂+4H⁺+4e-=2H₂O，
故答案為：O₂+4H⁺+4e-=2H₂O；
②若a極是銅和原電池正極相連為電解池的陽極，b極是鐵和電源負極相連為電解池的陰極，電解一段時間后，陽極Cu-2e-=Cu²⁺，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e-=Cu，兩極質量變化128g，電子轉移2mol，兩電極質量差為16克，計算得到電子轉移0.25mol，H₂～2e^-，反應消耗氫氣物質的量=0.125mol，體積V=0.125mol×22.4L/mol=2.8L，
 故答案為：2.8．

點評 本題考查了燃燒熱概念、熱化學方程式書寫、蓋斯定律計算應用、原電池、電解池原理分析判斷，主要是電極變化和電極產物的計算依據是電子守恒的應用，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．