Question

18．人类活动产生的CO₂长期积累，威胁到生态环境，其减排问题受到全世界关注．
（1）工业上常用高浓度的K₂CO₃ 溶液吸收CO₂，得溶液KHCO₃，再利用电解法使K₂CO₃ 溶液再生，其装置示意图如图1：
①常温下，KHCO₃溶液中离子浓度由大到小的顺序是c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
②在阳极区发生的反应包括4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑和H⁺+HCO₃^-═H₂O+CO₂↑．
③在阴极区发生的反应包括2H⁺+2e^-═H₂↑和HCO₃^-+OH^-=CO₃^2-+H₂O．
④离子交换膜允许阴（填“阳”或“阴”）离子通过．
（2）再生装置中产生的CO₂和H₂在一定条件下反应生成甲醇等产物，工业上利用该反应合成甲醇．已知：25℃，101KPa下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$ O₂（g）═H₂O（g）△H₁=-242  kJ•mol^-1
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$ O₂（g）═CO₂ （g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ•mol^-1
①写出CO₂和H₂生成气态甲醇等产物的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．
②图2表示合成甲醇的反应的能量变化示意图，其中正确的是A（填字母序号）．

（3）微生物燃料电池是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装置．已知某种甲醇微生物燃料电池中，电解质溶液为酸性，示意图如图3：
①该电池外电路电子的流动方向为从A到B（填写“从A到B”或“从B到A”）．
②工作结束后，B电极室溶液的pH与工作前相比将不变（填写“增大”、“减小”或“不变”，溶液体积变化忽略不计）．
③A电极附近甲醇发生的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑．

Answer 1

分析 （1）①KHCO₃溶液中的碳酸氢根离子水解大于电离，溶液呈碱性；
②装置图分析与电源正极相连的为电解池的阳极，与电源负极相连的为电解池的阴极，阳极上是氢氧根离子失电子生成氧气；
③水电离出的氢离子放电生成氢气，同时产生的氢氧根离子与碳酸氢根离子结合成水和碳酸根离子；
④碳酸氢根离子程度电离平衡、氢氧根离子和碳酸氢根离子反应生成碳酸根离子，来确是阴阳离子交换膜；
（2）①阳极热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
②依据写出的热化学方程式是放热反应，反应物能量高于生成物，生成的气体甲醇和水蒸气，甲醇和水蒸气变化为液体放热，结合图象分析判断；
（3）①原电池原理分析，甲醇在负极失电子发生氧化反应，氧气在正极得到电子发生还原反应，电子从负极氧外电路流向正极；
②B电极反应是氧气得到电子生成氢氧根离子在酸性溶液中生成水，氢离子通过交换膜移向正极，溶液PH不变；
③A电极是原电池负极失电子发生氧化反应，在酸溶液中生成二氧化碳．

解答 解：（1）①KHCO₃溶液中的碳酸氢根离子水解大于电离，溶液呈碱性，所以离子浓度的大小为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
②装置图分析与电源正极相连的为电解池的阳极，与电源负极相连的为电解池的阴极，阳极上是氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为：4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，
故答案为：4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑；
③水电离出的氢离子放电生成氢气，同时产生的氢氧根离子与碳酸氢根离子结合成水和碳酸根离子，反应的离子方程式为：HCO₃^-+OH^-=CO₃^2-+H₂O，故答案为：HCO₃^-+OH^-=CO₃^2-+H₂O；
④HCO₃^-存在电离平衡：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，阴极H⁺放电浓度减小平衡右移，CO₃^2-再生；阴极H⁺放电OH^-浓度增大，OH^-与HCO₃^-反应生成CO₃^2-，CO₃^2-再生，所以碳酸氢根离子可以自由通过，即是阴离子交换膜，
故答案为：阴；
（2）①a、H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₁=-242kJ/mol
b、CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol
阳极盖斯定律a×3-b得到CO₂和H₂生成气态甲醇等产物的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol； 
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；反应是放热反应，反应物能量高于生成物，生成的气态检出和水变化为液体会放出热量，分析图象可知A符合；
故答案为：A；
（3）①原电池原理分析，甲醇在负极失电子发生氧化反应，氧气在正极得到电子发生还原反应，电子从负极氧外电路流向正极，即A到B；
故答案为：从A到B；
②B电极反应是氧气得到电子生成氢氧根离子在酸性溶液中生成水，氢离子通过交换膜移向正极，溶液PH不变，故答案为：不变：
③A电极是原电池负极失电子发生氧化反应，在酸溶液中生成二氧化碳，电极反应依据氢离子进行电荷配平得到，CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑．

点评 本题考查了热化学方程式书写，推断出和电解池原理的分析应用，电极名称和电极反应是解题关键，题目难度中等．