Question

4．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．
（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）．

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）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；
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；
③依据原电池和电解池中电子守恒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）图Ⅰ为原电池，为甲烷燃烧电池，燃料甲烷做原电池负极反应物失电子发生氧化反应，图Ⅱ为电解池，铁棒镀铜，推断铁做电解池阴极，铜做电解池阳极；a为原电池负极，b为原电池正极；
①b处是氧气得到电子发生的电极反应；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浓度变小，则溶液的pH减小；装置Ⅱ是电镀阳极电极反应可知，阳极电极反应为：Cu-2e^-=Cu²⁺，
故答案为：变小；Cu-2e^-=Cu²⁺；
③装置Ⅱ中阴极电极反应为Cu²⁺+2e^-=Cu，质量增加12.8g为铜物质的量为0.2mol，转移电子为0.4mol，装置I中负极电极反应为：CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O理论上消耗甲烷物质的量为：0，05mol，标准状况下的体积=0.05mol×22.4L/mol=1.12L；
故答案为：1.12．

点评 本题考查用盖斯定律进行有关反应热的计算、燃料电池的工作原理等知识，注意把握溶液的酸碱性与电极反应，题目难度中等．