Question

2．甲烷作为一种新能源在化学领域应用广泛，请回答下列问题：
（1）高炉冶铁过程中，甲烷在催化反应室中产生水煤气（CO和H₂）还原氧化铁，有关反应为：
CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=+260kJ•mol^-1
已知：2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1，则CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学方程式为2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1；
（2）如图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为KOH溶液），通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜．
①a处应通入CH₄（填“CH₄”或“O₂”），b处电极上发生的电极反应式是2H₂O+O₂+4e^-═4OH^-；
②电镀结束后，装置Ⅰ中溶液的pH变小（填写“变大”“变小”或“不变”，下同），装置Ⅱ中Cu²⁺的物质的量浓度不变；
③若将装置I中电解质溶液换成硫酸溶液，则在工作过程中H⁺ 移向b电极（填“a”或“b”），a处电极上发生的电极反应式为CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺．
（3）．若将③生成的CO₂4.48L（换算为标准状况下）通入1L 0.3mol/L的NaOH溶液中，下列关系正确的是BCD
A．c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）
B．2c（Na⁺）=3[c（CO₃^2-）+c（HCO₃^-）+c（H₂CO₃）]
C．c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）
D．2c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（HCO₃^-）+3c（H₂CO₃）+2c（H⁺）

Answer 1

分析 （1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
将方程式2①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g），根据盖斯定律书写热化学反应方程式；
（2）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；
②根据I中氢氧根离子浓度变化确定溶液pH变化；II中发生电镀，阳极上溶解的铜质量等于阴极上析出铜的质量；
③原电池中阳离子移向正极，阴离子移向负极，根据电极反应式进行计算即可．
（3）n（NaOH）=0.3mol，n（CO₂）=0.2mol，二者发生CO₂+3OH^-=HCO₃^-+CO₃^2-+H₂O，生成等物质的量的NaHCO₃和Na₂CO₃，溶液水解呈碱性，且水解程度CO₃^2-＞HCO₃^-，结合结合CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，以及电荷守恒、物料守恒解答该题．

解答 解：（1）CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=260kJ•mol^-1①
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566kJ•mol^-1②，
将方程式2①+②得 2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=-46kJ•mol^-1 ；
（2）①II中首先镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，I中a处电极为负极、b处电极为正极，负极上通入燃料、正极上通入氧化剂，所以a处通入的气体是甲烷；甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应为CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄；CH₄+10OH^--8e^-=CO₃^2-+7H₂O；
②根据I中电池反应为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，KOH参加反应导致溶液中KOH浓度降低，则溶液的pH减小；
II中发生电镀，阳极上溶解的铜质量等于阴极上析出铜的质量，则溶液中铜离子浓度不变，
故答案为：变小；不变；
③原电池中阳离子移向正极，H⁺移向b电极，阴离子移向负极，a处是负极，电极上发生失电子的氧化反应，该电极上发生的电极反应式为CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺，故答案为：b；CH₄-8e^-+2H₂O═CO₂+8H⁺；
（3）n（NaOH）=0.3mol，n（CO₂）=0.2mol，二者发生CO₂+3OH^-=HCO₃^-+CO₃^2-+H₂O，生成等物质的量的NaHCO₃和Na₂CO₃，溶液水解呈碱性，且水解程度CO₃^2-＞HCO₃^-，结合结合CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，
A．溶液呈电中性，溶液中阴阳离子所带电荷相等，所以c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-），故A错误；
B．n（CO₃^2-）+n（HCO₃^-）+n（H₂CO₃）=0.2mol，n（Na⁺）=0.3mol，根据物料守恒得，2C（Na⁺）=3[c（H₂CO₃）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）]，故B正确；
C．n（CO₃^2-）+n（HCO₃^-）+n（H₂CO₃）=0.2mol，n（Na⁺）=0.3mol，又存在①CO₃^2-+H₂O?HCO₃^-+OH^-，②HCO₃^-+H₂O?H₂CO₃+OH^-，水解程度①＞②且水解程度都较小，则c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-），则有c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故C正确；
D．根据阴阳离子所带电荷相等得c（Na⁺）+c（H⁺）=c（OH^-）+c（HCO₃^-）+2c（CO₃^2-）①，根据物料守恒得2c（Na⁺）=3[c（H₂CO₃）+c（HCO₃^-）+c（CO₃^2-）]②，将方程式②-①×2得2c（OH^-）+c（CO₃^2-）=c（HCO₃^-）+3c（H₂CO₃）+2c（H⁺），故D正确．
故选BCD．

点评 本题考查了盖斯定律、原电池和电解池原理，根据电解池中Cu、Fe电极上发生的反应确定燃料电池中正负极及电极上通入的气体，再结合转移电子相等计算，难点是电极反应式的书写．