Question

【題目】甲烷是非常重要的能源和化工原料，請回答下列問題。

（1）用CH4催化還原NOx可以消除氮氧化物的污染。例如：CH4(g)+4NO2(g)＝4NO(g)＋CO2(g)+2H2O(g)　ΔH＝－574 kJ·mol-1，CH4(g)+4NO(g)＝2N2(g)＋CO2(g)+2H2O(g)　ΔH＝－1160 kJ·mol-1，寫出CH4還原NO2至N2的熱化學(xué)方程式：_____。

（2）如下圖所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)，通過裝置Ⅱ?qū)崿F(xiàn)鐵棒鍍銅。

①a處應(yīng)通入______(填“CH4”或“O2”)，a處電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是 ___________。

②電鍍結(jié)束后，裝置Ⅱ中Cu2＋的物質(zhì)的量濃度____(填寫“變大”“變小”或“不變”)。

③若實驗過程中Ⅱ中的銅片質(zhì)量減少了1.28g，則Ⅰ中理論上消耗CH4的體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況)__ _L。

（3）若將題（2）裝置Ⅱ中的兩電極均改為石墨惰性電極，電解質(zhì)溶液仍為CuSO4溶液。

①寫出裝置Ⅱ中發(fā)生的總化學(xué)反應(yīng)方程式_________。

②電解硫酸銅溶液一段時間后，裝置Ⅱ中溶液的pH____(填寫“變大”“變小”或“不變”)；要使原溶液復(fù)原，可向電解后的溶液中加入_______。

Answer 1

【答案】CH4(g)+2NO2(g)＝N2(g)＋CO2(g)+2H2O(g)　ΔH＝－867 kJ·mol-1 CH4 CH4＋10OH－－8e－=CO32－＋7H2O 不變 0.112L 2CuSO4 + 2H2O2Cu + O2↑+2H2SO4 變小 CuO或CuCO3

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律分析解答；

(2)裝置Ⅰ為甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)，通過裝置Ⅱ?qū)崿F(xiàn)鐵棒上鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極，據(jù)此分析解答；

(3)將裝置Ⅱ中的兩電極均改為石墨惰性電極，電解硫酸銅溶液生成金屬銅和硫酸以及氧氣，根據(jù)總反應(yīng)方程式分析解答。

(1)CH4還原NO2至N2的化學(xué)反應(yīng)方程式為CH4+2NO2=N2+CO2+2H2O。①CH4(g)+4NO2(g)=4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-574kJmol-1，②CH4(g)+4NO(g)=2N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-1160kJmol-1，根據(jù)蓋斯定律，得：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=×[(-574kJmol-1)+(-1160kJmol-1)] =-867kJ/mol，故答案為：CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-867kJmol-1；

(2)裝置Ⅰ為甲烷燃料電池(電解質(zhì)溶液為KOH溶液)，通過裝置Ⅱ?qū)崿F(xiàn)鐵棒上鍍銅，則Cu作陽極、Fe作陰極。

①Cu作陽極應(yīng)該連接原電池正極、Fe作陰極連接原電池負(fù)極，通入燃料的電極為負(fù)極、通入氧氣的電極為正極，則a為負(fù)極、b為正極，a處通入甲烷、b處通入氧氣，a處甲烷失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)為CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O， 故答案為：CH4；CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O；

②裝置Ⅱ中陽極上溶解Cu、陰極上析出Cu，溶解的Cu等于析出的Cu質(zhì)量，相當(dāng)于溶液中Cu2+沒有參加反應(yīng)，則銅離子濃度不變，故答案為：不變；

③Ⅱ中的銅片質(zhì)量減少了1.28g，溶解的銅的物質(zhì)的量==0.02mol，失去電子0.04mol；串聯(lián)電路中轉(zhuǎn)移電子相等，所以消耗甲烷的體積=×22.4L/mol=0.112L，故答案為：0.112；

(3)將裝置Ⅱ中的兩電極均改為石墨惰性電極。

①裝置Ⅱ中用惰性電極電解硫酸銅溶液，反應(yīng)的總化學(xué)方程式為：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4，故答案為：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4；

②根據(jù)電解硫酸銅溶液發(fā)生的總化學(xué)方程式：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4，反應(yīng)生成了硫酸，溶液的酸性增強(qiáng)，pH減��；根據(jù)出什么加什么、出多少加多少的原理，若想將上述電解后的溶液恢復(fù)為與電解前的溶液相同，加入CuO或CuCO3，可以使原溶液復(fù)原，故答案為：變小；CuO或 CuCO3。