Question

18．参考如图和有关要求回答问题：
 
（1）甲醇质子交换膜燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的一种原理是CH₃OH（g）和H₂O（g）反应生成CO₂和H₂．图1是该过程中能量变化示意图，若在反应体系中加入催化剂，反应速率增大，正反应活化能 a的变化是减小 （填“增大”、“减小”、“不变”），反应热△H的变化是不变（填“增大”、“减小”、“不变”）．
（2）以CH₃OH燃料电池为电源电解法制取ClO₂．二氧化氯（ClO₂）为一种黄绿色气体，是国际上公认的高效、广谱、快速、安全的杀菌消毒剂．
①CH₃OH燃料电池放电过程中，通入O₂的电极附近溶液的pH增大（填“增大”、“减小”、“不变”）．负极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
②图2中电解池用石墨作电极，在一定条件下电解饱和食盐水制取 ClO₂．阳极产生 ClO₂的反应式为Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑．
③电解一段时间，从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L时（标准状况，忽略生成的气体溶解），停止电解，通过阳离子交换膜的阳离子为1mol．
（3）图2中电解池改为用石墨作电极，在一定条件下电解0.05mol•L^-1的硫酸铜溶液200ml，当两极产生的气体体积相同时，
①发生电解的总反应方程式为2CuSO₄+2H₂0$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑
②若电解后溶液的体积还是200ml，溶液的pH=1
③电解后加入下列B固体物质可使溶液恢复到电解前
A  CuO   B  Cu （OH）₂C   CuCO₃D   CuSO₄．

Answer 1

分析 （1）催化剂降低反应的活化能，加快反应速率，即a减小，但催化剂不能改变活化能，即反应热△H不变．根据图象可知反应热=akJ/mol-bkJ/mol，所以CH₃OH（g）和H₂O（g）反应的热化学方程式为CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol．
（2）以CH₃OH燃料电池为电源电解法制取ClO₂，二氧化氯（ClO₂）为一种黄绿色气体，通入O₂的电极是正极，负极甲醇失去电子在碱溶液中生成碳酸盐，
①CH₃OH燃料电池放电过程中，通入O₂的电极是正极，氧气得到电子转化为氢氧根，则附近溶液的pH增大，负极甲醇失去电子在碱溶液中生成碳酸盐；
②电解池中阳极失去电子，则阳极氯离子放电，产生ClO₂，结合电子守恒和电荷守恒配平书写；
③电解一段时间，从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L时（标准状况，忽略生成的气体溶解），多出的气体是氢气，物质的量是0.3mol．设阳极产生的气体是xmol，则根据电子得失守恒可知5x=（0.3+x）×2，解得x=0.2，即转移1mol电子，钠离子通过阳离子交换膜，所以通过阳离子交换膜的阳离子为1mol；
（3）电解CuSO₄溶液质量增重的一极是电解池的阴极，析出铜，同时会产生氢气，电解方程式为：2CuSO₄+2H₂0$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，也可根据电解池两极上转移的电子数目相等计算，利用反应式来计算pH，根据电解方程式计算．

解答 解：（1）催化剂降低反应的活化能，加快反应速率，即a减小，但催化剂不能改变活化能，即反应热△H不变，反应能量图中生成物的总能量大于反应物的总能量，则为吸热反应，由图可知，1mol 甲醇和1mol 水蒸气反应生成CO₂和氢气吸收的热量为（a-b）kJ，反应热化学方程式为：CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，
故答案为：减小；不变；CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol；
（2）①CH₃OH燃料电池放电过程中，通入O₂的电极是正极，氧气得到电子转化为氢氧根，则附近溶液的pH增大，
故答案为：增大；  
②电解池中阳极失去电子，则阳极氯离子放电，产生ClO₂的反应式为：Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑，
故答案为：Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑；
③电解一段时间，从阴极处收集到的气体比阳极处收集到气体多 6.72L时（标准状况，忽略生成的气体溶解），多出的气体是氢气，物质的量=$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，设阳极产生的气体是xmol，则根据电子得失守恒可知5x=（0.3+x）×2，解得x=0.2，即转移1mol电子，钠离子通过阳离子交换膜，所以通过阳离子交换膜的阳离子为1mol，
故答案为：1；
（3）①电解总反应式为2CuSO₄+2H₂0$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，故答案为：2CuSO₄+2H₂0$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑；
②电解硫酸铜溶液0.01mol，阴极上发生反应：Cu²⁺+2e^-═Cu，2H⁺+2e^-═H₂↑，0.01mol铜离子得电子转移0.02mol电子，若产生224mL即0.01mol气体，转移电子是0.022mol，共0.04mol电子转移，阳极上发生反应4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，产生相同气体，若为224mL即0.01mol气体，转移电子的物质的量是0.04mol，根据反应式：2CuSO₄+2H₂0$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+2H₂SO₄+O₂↑，当生成0.01mol铜，生成硫酸是0.01mol，所以氢离子浓度是$\frac{0.01mol×2}{0.2L}$=0.1mol/L，所以pH=1；故答案为：1；
③电解过程中少什么加什么，少多少加多少，根反应式：阴极上发生反应：Cu²⁺+2e^-═Cu，2H⁺+2e^-═H₂↑，阳极上发生反应4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，析出了铜，跑掉了氧气和氢气，故选B．

点评 本题主要是考查反应热的计算、盖斯定律应用及电化学原理的应用，注意原电池和电解池的原理分析和电极反应书写，题目难度中等．