Question

4．在298K，100kPa时．CH₄的燃烧热是890.0kJ/mol，写出该反应的热化学方程式CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol．现有CH₄和CO的混合气体0.75mol，完全燃烧后，生成CO₂气体和18g液态水，共放出QkJ热量（假定热量未损失），则CH₄和CO的物质的量的比为2：1．
（2）利用甲烷的燃烧反应设计一个燃料电池，用氢氧化钾溶液作电解质溶液．多孔石墨作电极，在电极上分别通入甲烷和氧气，通入甲烷气体的电极上发生的电极反应是CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，当电路中转移12mol电子时，实际提供的电能是890.0kJ，则该电池的能量转化效率是66.7%．
（3）将铁棒和石墨棒插入盛有饱和NaCl溶液的U形管中形成如图装置：
①当开关K₁闭合，则铁发生电化学腐蚀中的吸氧腐蚀．
②当开关K₂闭合，则总反应的离子方程式为2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式书写方法解答，标注物质聚集状态和反应焓变；根据H元素守恒计算CH₄的物质的量，进而计算CO的物质的量；
（2）反应中甲烷发生氧化反应，而原电池负极发生氧化反应，应在负极通入甲烷，甲烷在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，根据反应反应方程式计算能量转化率；
（3）①当开关K₁闭合，则构成原电池，在中性环境下，金属发生的是吸氧腐蚀；
②当开关K₂闭合，则构成电解池，在阳极上发生失电子的氧化反应，在阴极上发生得电子的还原反应，根据电解原理来回答．

解答 解：（1）在298K，100kPa时，CH₄的燃烧热是890.0kJ/mol，在298K时，1mol CH₄在氧气中完全燃烧生成二氧化碳和液态水，放出热量890.0kJ，则该反应的热化学方程式为CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol；18克液态水的物质的量=$\frac{18g}{18g/mol}$=1mol，根据H原子守恒可知n（CH₄）=$\frac{1mol×2}{4}$=0.5mol，故n（CO）=0.75mol-0.5mol=0.25mol，则CH₄和CO的物质的量的比为2：1，
故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.0kJ/mol；2：1；
（2）燃料电池中通入燃料的一极为负极，发生氧化反应，通入氧气的一极为正极，发生还原反应，故甲烷在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，电极方程式为CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，当有12mol电子转移时，消耗甲烷$\frac{12}{8}$mol，理论上产生热量$\frac{12}{8}$mol×890.0kJ/mol，故能量转化率=$\frac{890.0}{\frac{12}{8}×890.0}×100%$≈66.7%，
故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；66.7%；
（3）①当开关K₁闭合，则构成原电池，在中性环境下，金属发生的是吸氧腐蚀，故答案为：吸氧；
②当开关K₂闭合，则构成电解池，铁是阴极，在阳极上氯离子发生失电子的氧化反应，在阴极上氢离子发生得电子的还原反应，总反应式：2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑，
故答案为：2C1^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2OH^-+H₂↑+C1₂↑．

点评 本题考查热化学方程式书写、原电池与电解池的工作原理，明确电极反应及利用电子守恒、元素守恒等计算是解答本题的关键，难度中等．