Question

3．参考下列图表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”）．请写反应进程出CH₃OH（g）和H₂O（g）反应的热化学方程式CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol．
（2）甲醇质子交换膜燃料电池中将甲醇蒸气转化为氢气的另一种反应原理是：
CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol
又知H₂O（g）═H₂O（l）△H=d kJ/mol．
则甲醇燃烧生成液态水的热化学方程式为2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol．
（3）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，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．

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）已知：①CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol，②H₂O（g）=H₂O（l）△H=d kJ/mol，③CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，则根据盖斯定律可知①×6+②×4-③×4即可得到甲醇燃烧生成液态水的热化学方程式为2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
（3）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．

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）已知：①CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol，
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=d kJ/mol，
③CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，
则根据盖斯定律可知①×6+②×4-③×4即可得到甲醇燃烧生成液态水的热化学方程式为：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol，
故答案为：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
（3）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，反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：增大，CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；  
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．

点评 本题主要是考查催化剂对反应速率、反应热的影响、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．