Question

【题目】（1）甲醇（CH3OH，常温下为液态）是一种常用的能源物质。

①甲醇的热值为23 kJ · g－1。写出甲醇燃烧热的热化学方程式：_________________________。

②以甲醇为原料设计成燃料电池：若以熔融Na2CO3作为电解质，一极充入甲醇，另一极充入空气和CO2气体。回答下列问题：

充入空气和CO2气体的电极为__________极，该电池的总反应式：_____________________，充入甲醇电极的反应式：______________________________________。

③若用该燃料电池为电源，用石墨电极电解250 mL CuSO4溶液。则与充入空气和CO2气体的电极相连的是电解池的_______极；与甲醇电极相连的电极反应式为______________________；若燃料电池中消耗0.05 mol甲醇，电解池中共产生标准状况下气体2.24 L， 则原 CuSO4溶液浓度为________mol·L－1（假设电解前后溶液体积不变）。

（2）以四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]水溶液为原料，通过电解法可以制备四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]，装置如图所示。写出该电解的总反应_________________________________。

Answer 1

【答案】CH3OH(l)＋3/2O2(g)＝CO2(g)＋2H2O(l)，ΔH1＝－736 kJ·mol－1 正 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O CH3OH－6e－＋3CO32－＝4CO2＋2H2O 阳 Cu2++2e-＝Cu 0.5 2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑

【解析】

(1) ①101kPa下，1mol纯物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所释放的热量称为该物质的燃烧热，据此写出甲醇燃烧热的热化学方程式；

②以熔融Na2CO3作为电解质的甲醇燃料电池的总反应：CH3OH+O2=CO2+2H2O，从分析化合价入手确定电池的正、负极及电极反应式；

③以甲醇燃料电池为电源电解CuSO4溶液时，在电解池中与电源正极相连的为阳极，与电源负极相连的为阴极，阴极发生还原反应，据此写出阴极反应式。甲醇燃料电池与电解池是串联的，根据电路中转移的电子守恒，利用讨论法分析电解产生的2.24L气体是纯O2还是H2和O2的混合气体，来确定CuSO4被电解完后是否有水被电解，再根据反应式的计量关系进行相关计算；

(2) 分析四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]和四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]的化学式可知，由四甲基氯化铵转化为四甲基氢氧化铵即将-Cl替换为-OH（羟基），再结合电解池中阳极发生氧化反应，阴极发生还原反应确定电解过程中还会产生Cl2和H2，据此写出总反应的化学方程式。

(1) ①甲醇的摩尔质量为32g/mol，1mol甲醇完全燃烧生成CO2(g)和H2O(l)时释放出的热量=32g/mol×1mol×23kJ/g=736kJ，甲醇燃烧热的热化学方程式为CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)，△H=-736kJ/mol。

② 以熔融Na2CO3作为电解质的甲醇燃料电池的总反应：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O，其中氧元素化合价由0价降低到-2价，故O2得电子发生还原反应，所以充入空气和CO2的一极是正极；甲醇中碳元素化合价由-2价升高到+4价，每个碳原子得6个电子，充入甲醇的一极为负极，其电极反应为CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O。

③由上面分析可知，甲醇燃料电池中充入空气和CO2气体的一极为正极；充入甲醇的一极为负极。在以甲醇燃料电池为电源的电解池中与电源正极相连的为阳极，即与充入空气和CO2气体的一极相连的为电解池的阳极。与甲醇电极相连的为电解池的阴极，电解池的阴极发生还原反应，其电极反应式为Cu2++2e-=Cu。用石墨电极电解CuSO4溶液总反应式为2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4~转移电子4e-。由燃料电池负极反应式CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O可知，每消耗0.05 mol甲醇时电路中转移电子物质的量=0.05mol×6=0.3mol，再由电解CuSO4的阳极反应式2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋可知，产生的2.24 L气体若是纯O2，则此时转移电子物质的量=4×=0.4mol>0.3mol，说明电解产生的2.24L气体是H2和O2的混合气体，即CuSO4电解结束后又继续电解水：2H2O2H2↑+O2↑~转移电子4e-。设原CuSO4溶液中含CuSO4物质的量为x，电解CuSO4转移的电子物质的量为2x，则电解水转移电子物质的量=0.3mol-2x，电解池共产生气体物质的量=×2x+×(0.3mol-2x)= ，解得x=0.125mol，所以原CuSO4溶液浓度==0.5mol/L。

(2)分析四甲基氯化铵[(CH3)4NCl]和四甲基氢氧化铵[(CH3)4NOH]的化学式可知，由四甲基氯化铵转化为四甲基氢氧化铵即将-Cl替换为-OH（羟基），氯原子可在阳极放电生成Cl2，-OH可有阴极H2O的H+放电产生的OH-转化而来：2H2O+4e-=2H2↑+4OH-，所以电解产物还应有Cl2和H2，总反应方程式为2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑。