Question

2．甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）高炉冶铁过程中，甲烷在催化反应室中产生水煤气（CO和H₂）还原氧化铁，有关反应为：
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1
则CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学方程式为：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ•mol^-1．
（2）如图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜．
①b处电极上发生的电极反应式：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②电镀结束后，装置Ⅰ中KOH溶液的浓度变小（填写“变大”“变小”或“不变”），装置Ⅱ中Cu电极上发生的电极反应式：Cu-2e^-═Cu²⁺．
③装置Ⅰ的能量转变形式是化学能转化为电能，装置Ⅱ中Fe电极上发生还原反应．
④在此过程中若完全反应，装置Ⅱ中阴极质量变化12.8g，则装置Ⅰ中理论上消耗甲烷1.12L（标准状况下）．[相对原子质量Cu：64]．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，由已知方程式构建目标方程式可得到CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学反应方程式；
（2）①II中实现镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；
②根据I中氢氧根离子浓度变化确定溶液pH变化；II中发生电镀，阳极上Cu溶解；
③I是原电池装置，装置Ⅱ中Fe作阴极；
④根据转移电子相等计算消耗甲烷的体积．

解答 解：（1）①CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ/mol
根据盖斯定律，由①×2+②得：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ/mol，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46 kJ/mol；
（2）①II中实现镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂氧气，正极电极反应为O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-，
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-═4OH^-；
②根据I中电池反应为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH参加反应导致溶液中KOH浓度降低，则溶液的pH减小；
故答案为：变小；
③装置Ⅰ的能量转变形式是化学能转化为电能，装置Ⅱ中Fe电极是阴极，该电极上发生还原反应，故答案为：化学能转化为电能；还原；
④串联电路中转移电子相等，所以消耗甲烷的体积=$\frac{\frac{12.8g}{64g/mol}×2}{8}$×22.4L/mol=1.12L，故答案为：1.12．

点评 本题考查了盖斯定律、原电池和电解池原理，根据电解池中Cu、Fe电极上发生的反应确定燃料电池中正负极及电极上通入的气体，再结合转移电子相等计算，难点是电极反应式的书写．