Question

3．氢气是一种清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点．
已知：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=-247.4kJ•mol^-1
（1）以甲烷为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法．
CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+659.8kJ•mol^-1．
（2）实验室用Zn和稀硫酸制取H₂，若向反应体系中加入少量下列试剂能加快产生H₂速率的是D．
A．HNO₃（浓）B．CH₃COONa（固体）
C．Na₂SO₄ （固体） D．CuSO₄（固体）
（3）有一种燃料电池，利用细菌将有机酸转化成氢气，氢气进入有氢氧化钾溶液的燃料电池中发电．电池负极反应式H₂+2OH^--2e^-═2H₂O．燃料电池与普通燃烧过程相比，优点是燃料电池的能量转化率远高于普通燃烧过程．
（4）微生物电池是指在微生物的作用下将化学能转化为电能的装置，其工作原理如图所示．请写出
①负极电极方程式C₆H₁₂O₆-24e^-+6H₂O=6CO₂+24H⁺．
②电池总反应方程式C₆H₁₂O₆+6O₂=6CO₂+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律解答，从待求反应出发分析反应物、生成物在所给反应中的位置，通过相互加减可得CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）的热化学方程式；
（2）依据影响化学反应速率因素分析判断增大反应速率的试剂，注意原电池反应的分析判断；
（3）燃料电池电极反应式书写，用总反应减去一个电极反应式就得另一个电极反应式；
（4）①根据图知，负极上C₆H₁₂O₆失电子，正极上O₂得电子和H⁺反应生成水，负极的电极反应式为C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂+24H⁺，正极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O；
②该反应属于燃料电池，燃料电池的电池反应式和燃烧反应式相同．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kmol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=-247.4kJmol^-1
据盖斯定律，①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+659.8kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+659.8kJ•mol^-1；
（2）若加入少量下列试剂中生成氢气反应速率增大，则
A．加入浓HNO₃ 溶液具有强氧化性，和锌反应不能生成氢气，故A不符合；
B．加入CH₃COONa（固体）溶解后和稀硫酸反应生成醋酸属于弱酸，反应速率减小，故B不符合；
C．加入Na₂SO₄固体不影响反应的速率，故C不符合；
D．加入CuSO₄ 溶液，和锌反应生成铜，铜和锌在稀硫酸溶液中形成原电池反应，生成氢气速率增大，故D符合；
故答案为：D；
（3）这是氢氧燃料电池，负极发生氧化反应，是H₂在反应，注意电解质溶液显碱性，H₂得电子不能写出H⁺，因为其能和OH^-反应，负极反应为H₂+2OH^--2e^-═2H₂O；
氢气燃烧本身无污染，但产生光能等，并且热能损耗较大，而氢氧燃料电池，是化学能直接转化为电能，无光能等产生，所以燃料电池的能量转化率高，
故答案为：H₂+2OH^--2e^-═2H₂O；燃料电池的能量转化率远高于普通燃烧过程；
（4）①根据图知，负极上C₆H₁₂O₆失电子，正极上O₂得电子和H⁺反应生成水，负极的电极反应式为C₆H₁₂O₆+6H₂O-24e^-=6CO₂+24H⁺，正极的电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，因此CO₂在负极产生，故答案为：C₆H₁₂O₆-24e^-+6H₂O=6 CO₂+24H⁺；
②该反应属于燃料电池，燃料电池的电池反应式和燃烧反应式相同，则电池反应式为C₆H₁₂O₆+6O₂=6CO₂+6H₂O，故答案为：C₆H₁₂O₆+6O₂=6CO₂+6H₂O．

点评 本题考查热化学方程式书写、化学电源新型电池，为高频考点，正确判断电解质溶液酸碱性是解本题关键，所有原电池中都是负极上失电子发生氧化反应、正极上得电子发生还原反应，难点是电极反应式的书写，主要涉及到盖斯定律、氧化还原、弱电解质的电离平衡的移动、燃料电池，题目难度中等．