Question

(15分)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：

已知：①CH₄(g)＋CO₂(g)===2CO(g)＋2H₂(g)     ΔH＝＋260 kJ·mol^－1

②2CO(g)＋O₂(g)===2CO₂(g)       ΔH＝－566 kJ·mol^－1

则CH₄与O₂反应生成CO和H₂的热化学方程式为__________________________；

（2）如下图所示，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_____(填“CH₄”或“O₂”)，b处电极上发生的电极反应式是______________；

②电镀结束后，装置Ⅰ中KOH溶液的浓度________(填写“变大”“变小”或“不变”，下同)，装置Ⅱ中Cu^2＋的物质的量浓度________；

③电镀结束后，装置Ⅰ溶液中的阴离子除了OH^－以外还含有________；

④在此过程中若完全反应，装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g，则装置Ⅰ中理论上消耗氧气________L(标准状况下)。

Answer

（1）2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝－46 kJ·mol－1 （3分）

（2）①CH4（2分） O2＋2H2O＋4e－===4OH－（2分）；②变小（2分）；不变（2分）；

③CO32- （2分） ④2.24（2分）。

【解析】

试题分析：（1）①×2+②，整理可得：2CH4(g)＋O2(g)===2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝－46 kJ·mol－1；（2）要实现铁棒上镀铜，应该Cu作阳极，与电源的正极连接，则b处通入O2，a处通入燃料CH4。在正极上，b处电极上发生的电极反应式是O2＋2H2O＋4e－===4OH－；a处发生反应：CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，总反应方程式是：CH4+3O2+2KOH=K2CO3+3H2O。对于装置Ⅰ，由于反应不断消耗KOH，所以电镀结束后，装置Ⅰ中KOH溶液的浓度逐渐减小；装置Ⅱ中Cu2＋不断在阴极Fe放电产生Cu单质附着，在阳极，Cu不断失去电子变为Cu2+进入溶液，所以Cu2+的物质的量浓度不变。③由于装置Ⅰ总反应方程式是：CH4+3O2+2KOH=K2CO3+3H2O。所以电镀结束后，装置Ⅰ溶液中的阴离子除了OH－以外还含有CO32-；④在此过程中若完全反应，装置Ⅱ中阴极质量变化12.8 g，则n(Cu)=12.8g÷64g/mol=0.2mol，n(e-)=0.2mol×2=0.4mol。由于在整个闭合回路中电子转移数目相等，所以n(O2)=0.4mol÷4=0.1mol,则装置Ⅰ中理论上消耗氧气V(O2)=n·Vm=0.1mol ×22.4L/mol=2.24L。

考点：考查热化学方程式的书写、电极的判断、燃料电池、电镀、氧化还原反应的有关计算的知识。