Question

天然气的主要成分是甲烷（CH₄），甲烷燃烧时的能量变化如图1所示．

（1）写出甲烷完全燃烧生成CO₂和气态水的热化学方程式：

 

．
（2）已知H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol，则甲烷完全燃烧生成CO₂和18g液态水，放出的热量是

 

．
（3）美国科学家设计出以甲烷为燃料的新型燃料电池，其成本大大低于以氢气为燃料的传统燃料电池．甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH，请写出该电池工作时的总反应方程式：

 

，图2中，

 

（填“a”或“b”）极为正极．
（4）若用（3）中的甲烷燃料电池为电源，以石墨作为电极，电解熔融NaCl，当生成92g金属Na时，甲烷燃料电池消耗标准状况下的甲烷的体积是

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,有关反应热的计算,化学电源新型电池

专题：化学反应中的能量变化,电化学专题

分析：（1）分析图示1可知甲烷燃烧 是放热反应，1mol甲烷燃烧生成CO₂和气态水放热=882KJ-80KJ=802KJ，依据热化学方程式书写方法写出所需热化学方程式；
（2）依据（1）中热化学方程式和H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol，利用盖斯定律计算得到甲烷完全燃烧生成CO₂和18g液态水的热化学方程式，计算放出的热量；
（3）甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH，甲烷和氧气发生氧化还原反应生成碳酸钾和水，依据原电池原理分析，燃料通入的一端为负极，氧气通入的一端为正极；
（4）依据电极反应和电子守恒计算消耗甲烷气体的体积；

解答： 解：（1）甲烷燃烧 是放热反应，1mol甲烷燃烧生成CO₂和气态水放热=882KJ-80KJ=802KJ，反应的热化学方程式为CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
（2）①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-802kJ/mol；
②H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
依据热化学方程式和盖斯定律计算①-②×2得到：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ/mol；
则甲烷完全燃烧生成CO₂和18g液态水为1mol，则反应放热=

1

2

mol×890kJ/mol=445KJ；
故答案为：445kJ；
（3）甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH，甲烷失电子在建溶液中生成碳酸钾，氧气得到电子生成氢氧根，反应的化学方程式为：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，燃料电池中甲烷失电子为负极反应，氧气得到电子为正极反应，所以a电极为负极，b电极为正极；
故答案为：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，b；
（4）甲烷燃料电池中负极电极反应CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，以石墨作为电极，电解熔融NaCl，当生成92g金属Na时物质的量=

92g

23g/mol

=4mol，电极反应Na⁺+e^-=Na，电子守恒计算甲烷燃料电池消耗标准状况下的甲烷的体积CH₄～8e^-～8Na，甲烷气体物质的量=0.5mol，标准状况气体体积=0.5mol×22.4L/mol=11.2L；
故答案为：11.2L；

点评：本题考查了热化学方程式书写方法和盖斯定律计算应用，原电池原理分析判断，电极反应书写和计算式解题关键，题目难度中等．