Question

2．甲烷作為一種新能源在化學領域應用廣泛，請回答下列問題：
（1）高爐冶鐵過程中，甲烷在催化反應室中產生水煤氣（CO和H₂）還原氧化鐵，有關反應為：
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1
則CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學方程式為：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ•mol^-1．
（2）如圖所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池（電解質溶液為KOH溶液），通過裝置Ⅱ實現鐵棒上鍍銅．
①b處電極上發生的電極反應式：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②電鍍結束后，裝置Ⅰ中KOH溶液的濃度變小（填寫“變大”“變小”或“不變”），裝置Ⅱ中Cu電極上發生的電極反應式：Cu-2e^-═Cu²⁺．
③裝置Ⅰ的能量轉變形式是化學能轉化為電能，裝置Ⅱ中Fe電極上發生還原反應．
④在此過程中若完全反應，裝置Ⅱ中陰極質量變化12.8g，則裝置Ⅰ中理論上消耗甲烷1.12L（標準狀況下）．[相對原子質量Cu：64]．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律，由已知方程式構建目標方程式可得到CH₄與O₂反應生成CO和H₂的熱化學反應方程式；
（2）①II中實現鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑；甲烷失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；
②根據I中氫氧根離子濃度變化確定溶液pH變化；II中發生電鍍，陽極上Cu溶解；
③I是原電池裝置，裝置Ⅱ中Fe作陰極；
④根據轉移電子相等計算消耗甲烷的體積．

解答 解：（1）①CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
根據蓋斯定律，由①×2+②得：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ/mol；
（2）①II中實現鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，I中a處電極為負極、b處電極為正極，負極上通入燃料、正極上通入氧化劑氧氣，正極電極反應為O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②根據I中電池反應為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH參加反應導致溶液中KOH濃度降低，則溶液的pH減小；
故答案為：變小；
③裝置Ⅰ的能量轉變形式是化學能轉化為電能，裝置Ⅱ中Fe電極是陰極，該電極上發生還原反應，故答案為：化學能轉化為電能；還原；
④串聯電路中轉移電子相等，所以消耗甲烷的體積=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol}×2}{8}$×22.4L/mol=1.12L，故答案為：1.12．

點評 本題考查了蓋斯定律、原電池和電解池原理，根據電解池中Cu、Fe電極上發生的反應確定燃料電池中正負極及電極上通入的氣體，再結合轉移電子相等計算，難點是電極反應式的書寫．