Question

【題目】甲烷是天然氣的主要成分，是一種重要的清潔能源和化工原料。

Ⅰ.煤制天然氣時會發生多個反應，生產過程中有多種途徑生產CH4。

已知：

① CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH＝－41kJ·mol－1

② C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH＝－73kJ·mol－1

③ 2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH＝－171kJ·mol－1

寫出CO2與H2反應生成CH4和H2O的熱化學方程式____________________。

Ⅱ.新型高效的甲烷燃料電池采用鉑為電極材料，兩電極上分別通入CH4和O2，電解質為KOH溶液。某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液（滴有幾滴酚酞）電解實驗，如圖所示：

回答下列問題：

（1）①用甲烷燃料電池作為電化學降解NO3-裝置的直流電源時，應將A與_____相連（填a或b，下同）B與_____相連。陰極反應式為_____________。

②若電解過程中轉移了2mol電子，則膜的兩側電解液的質量變化差（Δm左- Δm右）為________g。

（2）甲烷燃料電池正極、負極的電極反應分別為________ 、_________。

（3）若每個電池甲烷通入量為1 L（標準狀況），且反應完全，則圖二電解池中理論上Pt最多能產生的氯氣體積為________L（標準狀況）。

Answer 1

【答案】 CO(g)+H2O(g)= CO2(g)+H2 (g) ΔH＝－162kJ·mol－1 a b 2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O 14.4 2O2+4H2O +8e—=8OH— CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O 4

【解析】Ⅰ.已知：① CO(g)+H2O(g)H2(g)+CO2(g) ΔH1＝－41kJ·mol－1

② C(s)+2H2(g)CH4(g)ΔH2＝－73kJ·mol－1

③ 2CO(g)C(s)+CO2(g)ΔH3＝－171kJ·mol－1

根據蓋斯定律②+③-①×2可得：CO2(g)+4H2(g)= CH4(g)+2H2O (g) ΔH=ΔH2+ΔH3-ΔH1×2=－73kJ·mol－1+（－171kJ·mol－1）-（－41kJ·mol－1）×2=－162kJ·mol－1，故答案為：CO2(g)+4H2(g)= CH4(g)+2H2O (g) ΔH= －162kJ·mol－1；

Ⅱ. （1）①用甲烷燃料電池作為電化學降解NO3-裝置的直流電源時，硝酸根離子轉化為氮氣，其中氮元素化合價降低，得電子，則連接B電極的為電解池的陰極，應將B與電源的負極相連，在圖1中燃料電池甲烷應該為負極，即連接b，故A與a相連。陰極是硝酸根離子得電子產生氮氣，其反應式為：2NO3-+6H2O+10e-=N2↑+12OH-或2NO3-+12H++10e-=N2↑+6H2O；②根據圖示裝置，陽極反應為2H2O-4e－=O2↑+4H＋，轉移2mol電子時，陽極消耗1mol水，產生2molH+進入陰極室，陽極室質量減少18g；陰極反應為12H＋+2NO3-+10e－=N2↑+6H2O，陰極室中放出0.2molN2（5.6g），同時有2molH+（2g）進入陰極室，因此陰極室質量減少3.6g，膜兩側電解液的質量變化差（Δm左- Δm右）＝18g-3.6g＝14.4g；（2）在堿性條件下，甲烷燃料電池正極氧氣得電子產生氫氧根離子、負極甲烷失電子在堿性條件下生成碳酸根離子和水，其電極反應分別為：2O2+4H2O +8e—=8OH—，CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O；（3）若每個電池甲烷通入量為1 L（標準狀況），由于圖中的兩個電池是串聯，故可知線路上轉移的電子與一個燃料電池時相同，根據反應式CH4+10OH--8e—=CO32-+ 7H2O，可知通入1mol甲烷時失電子8mol，當甲烷為1L時為mol，轉移電子數為mol；進行飽和氯化鈉溶液電解，陽極產生氯氣的電極反應為：2Cl- -2e-=Cl2↑，產生1 mol氯氣轉移2mol電子，根據電解池與原電池轉移電子總數相等，當轉移電子mol時，產生氯氣為mol，即為mol22.4L/mol=4L。