Question

将CH₄设计成燃料电池，其利用率更高，装置示意如图（A、B为多孔性碳棒）持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积VL．
（1）0＜V≤22.4L时，电池总反应的化学方程式为

 

（2）22.4L＜V≤44.8L时，负极电极反应为

 

（3）V=33.6L时，溶液中阴离子浓度大小关系为

 

．

Answer 1

考点：原电池和电解池的工作原理,离子浓度大小的比较

专题：

分析：（1）n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，则二者反应生成碳酸钾；
（2）根据原子守恒得1＜n（CO₂）≤2mol，二者反应生成碳酸氢钾；
（3）当V=33.6L时，n（CO₂）=1.5mol，设碳酸钾的物质的量为x、碳酸氢钾的物质的量为y，根据K原子、C原子守恒得

x+y=1.5 2x+y=2

，解得

x=0.5 y=1

，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子，据此计算离子浓度大小．

解答： 解：（1）n（KOH）=2mol/L×1L=2mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤1mol，二氧化碳不足量，则二者反应生成碳酸钾，电池反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，故答案为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
（2）根据原子守恒得1＜n（CO₂）≤2mol，二者反应生成碳酸氢钾，所以负极反应式为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
（3）当V=33.6L时，n（CO₂）=1.5mol，设碳酸钾的物质的量为x、碳酸氢钾的物质的量为y，根据K原子、C原子守恒得

x+y=1.5 2x+y=2

，解得

x=0.5 y=1

，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子，但水解程度较小，所以溶液中离子浓度大小顺序为c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-），故答案为：c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）．

点评：本题以原电池原理为载体考查物质之间的反应，明确二氧化碳和KOH反应产物是解本题关键，难点是电极反应式的书写，要结合电解质溶液酸碱性书写，题目难度中等．