Question

CH₄ 是一种清洁、高效、具有优良的环保性能的燃料，其燃烧热为890.3kJ·mol^-1。它可以作为燃料电池的燃料。

（1）写出甲烷燃烧的热化学方程式：____________________________________________；

（2）以甲烷、空气、氢氧化钾溶液为原料，惰性电极为电极可以构成燃料电池。该电池的负极反应式为____

（3）用（2）中的燃料电池为电源，以石墨为电极电解500mL滴有酚酞的NaCl溶液，装置如图所示：

①请写出电解过程中阴极附近观察到的现象：____________________。

②当燃料电池消耗2.8L O₂（标准状况下）时，计算此时NaCl溶液的pH=__________ （假设溶液的体积不变，气体全部从溶液中逸出）。在Y极通过的电子的物质的量为：_______________________。

③电解之后，要使溶液恢复原状，应该向溶液中加入物质 _________（填名称）。溶液中Cl^―流向 ____________极（填“X”或“Y”）。

Answer

CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJ·mol－1 CH4-8e－+10OH－=CO32－+7H2O 阴极附近变红 14 0.5mol 盐酸 阳

【解析】

（1）依据热化学方程式的书写方法，结合燃烧热的概念是1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物时放出的热量写出，注意标注物质的聚集状态和燃烧热；

（2）先判断氧化剂、还原剂，然后根据原电池原理判断正负极上反应的物质，结合电解质溶液写出电极反应式；

（3）依据电源判断X为电解池的阳极，Y为电解池的阴极；

①阴极是溶液中的氢离子得到电子生成氢气，溶液中水的电离被破坏，生成了氢氧根离子显碱性，遇酚酞变红；

②根据甲烷燃料电池的电极反应和电解氯化钠的电极反应，依据电子守恒计算得到；电极上的电子转移守恒；

③依据电解氯化钠溶液生成了氢气、氯气和氢氧化钠，恢复原溶液浓度需要加入氢气和氯气组成的含氯化氢的盐酸溶液；电解过程中阴离子移向阳极。

（1）CH4 是一种清洁、高效、具有优良的环保性能的燃料，其燃烧热为890.3kJ·mol－1，热化学方程式为：CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJ·mol－1，故答案为：CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJ·mol－1；

（2）负极上的电极反应式等于电池的总反应式-正极发生的电极方程式；以甲烷、空气、氢氧化钾溶液为原料，惰性电极可构成燃料电池，正极反应为：3O2+12H2O+12e－=12OH－，总反应式为：CH4+2O2+2OH－=CO32－+3H2O，两式相减，负极反应为：CH4-8e－+10OH－=CO32－+7H2O，故答案为：CH4-8e－+10OH－=CO32－+7H2O；

（3）燃料电池为电源，以石墨为电极电解500mL滴有酚酞的NaCl溶液，X为电解池的阳极，Y为电解池的阴极；

①阴极是溶液中的氢离子得到电子生成氢气，溶液中水的电离被破坏，生成了氢氧根离子显碱性，遇酚酞变红；电解过程中阴极附近观察到的现象是，阴极附近变红，故答案为：阴极附近变红；

②甲烷燃料电池的正极消耗氧气，燃料电池消耗2.8L O2物质的量=2.8L÷22.4L·mol－1=0.125mol；正极反应为：3O2+12H2O+12e－=12OH－，计算得到电子转移为0.5mol；电解氯化钠溶液阴极电极反应为：2H＋+2e－=H2↑，根据水电离出的氢氧根离子和氢离子守恒，溶液中减少的氢离子和增加的氢氧根离子相同，计算得到生成氢氧根离子物质的量为0.5mol，c（OH－）= =1mol·L－1；所以溶液pH=14；电极上的电子守恒得到在Y极通过的电子的物质的量为0.5mol，故答案为：14； 0.5mol；

③电解氯化钠溶液生成了氢气、氯气和氢氧化钠，恢复原溶液浓度需要加入氢气和氯气组成的含氯化氢的盐酸溶液；电解过程中阴离子移向阳极，故答案为：盐酸；阳。