Question

9．氫氣最有可能成為21世紀(jì)的主要能源，但氫氣需要由其他物質(zhì)來制備．制氫的方法之一是以煤的轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，其基本原理是用碳、水在氣化爐中發(fā)生如下反應(yīng)：
C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₁=+131.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂
（1）已知1molH-H、O-H、C=O、C≡O(shè)化學(xué)鍵斷裂時(shí)分別需要吸收436kJ、458.5kJ、799kJ、1076kJ的能量，則△H₂=-41kJ/mol．
產(chǎn)物中的H₂與平衡體系中的C、CO₂繼續(xù)發(fā)生如下反應(yīng)，可生成甲烷．
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₃=-74.8kJ•mol^-1
CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H₄，則△H₄=-165.1kJ/mol．
（2）在1L容積固定的密閉容器中投入1.8molCH₄和3.6molH₂O（g），若只發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g），測(cè)得CH₄、H₂O（g）及某一生成物X的物質(zhì)的量濃度（c）隨反應(yīng)時(shí)間（t）的變化如圖1所示，第9min前H₂O（g）的物質(zhì)的理濃度及第4min～9min之間X所代表生成物的物質(zhì)的量濃度變化曲線未標(biāo)出，條件有變化時(shí)只考慮一個(gè)條件．
①0～4min內(nèi)，H₂的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.5mol•L^-1•min^-1．
②以上反應(yīng)在第5min時(shí)的平衡常數(shù)K=0.91．（計(jì)算結(jié)果保留兩位小數(shù)）
③第6min時(shí)改變的條件是升高溫度．
（3）用甲烷做燃料電池電解CuSO₄溶液、FeCO₃和FeCl₂混合液的示意圖如圖2所示，其中A、B、D均為石墨電極、C為銅電極．工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同（相同條件下）．
①甲中通入O₂的一極為正極（填“正”或“負(fù)”），通入甲烷一極的電極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
②乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L．
③丙裝置溶液中金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如圖3所示，則圖中③線表示的是Cu²⁺（填離子符號(hào)）的變化；原溶液中c（Fe²⁺）=1mol/L．

Answer 1

分析 （1）化學(xué)反應(yīng)中，化學(xué)鍵斷裂吸收能量，形成新化學(xué)鍵放出能量，根據(jù)方程式計(jì)算，化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量，反應(yīng)放熱，反之吸熱，以此計(jì)算反應(yīng)熱，依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)圖象0-4min甲烷減少0.5mol/L，X增加0.5mol/L，則X為二氧化碳，4-6min為平衡狀態(tài)，
     CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）
開始 1.8         3.6              0                0
轉(zhuǎn)化 0.5         1               0.5               2
平衡 1.3         2.6            0.5               2
結(jié)合溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響來解答．
（3）①甲中通入O₂的一極發(fā)生還原反應(yīng)為正極；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
②乙為電解池，A為陽(yáng)極、B為陰極，A電極生成氣體為氧氣，B電極先析出Cu，而后生成氣體為氫氣，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算生成氣體的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算氧氣的體積；
③C電極為陽(yáng)極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽(yáng)離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽(yáng)離子，說明在電解過程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽(yáng)極，D電極是石墨做陰極，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量的變化確定曲線對(duì)應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計(jì)算．

解答 解：（1）已知1molH-H、O-H、C=O、C≡O(shè)化學(xué)鍵斷裂時(shí)分別需要吸收436kJ、458.5kJ、799kJ、1076kJ的能量，則△H₂=1076kJ/mol+2×458.5kJ/mol-2×799kJ/mol-436kJ/mol=-41kJ/mol；
由①C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H₁=+131.3kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ/mol
③C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₃=-74.8kJ•mol^-1
結(jié)合蓋斯定律③-①-②得到CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H₄，則△H₄=-165.1kJ/mol，
故答案為：-41kJ/mol；-165.1kJ/mol；
（2）根據(jù)圖象0-4min甲烷減少0.5mol/L，X增加0.5mol/L，則X為二氧化碳，4-6min為平衡狀態(tài)，
       CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）
開始 1.8            3.6             0               0
轉(zhuǎn)化 0.5              1            0.5              2
平衡 1.3            2.6            0.5              2
①0～4min內(nèi)，H₂的平均反應(yīng)速率υ（H₂）=$\frac{2mol/L}{4min}$=0.5mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.5；   
②反應(yīng)在5min時(shí)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.5×{2}^{4}}{1.3×2．{6}^{2}}$=0.91，
故答案為：0.91；  
③根據(jù)圖象第6 min～9 min時(shí)的反應(yīng)速率比0～4 min時(shí)的大，且平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，說明第6 min改變的條件為升高溫度或增加水蒸氣的量，再根據(jù)第9 min平衡時(shí)甲烷濃度為0.7 mol/L，水蒸氣濃度為1.4 mol/L，說明甲烷消耗1.1 mol，水蒸氣消耗2.2 mol，所以不可能為增加水蒸氣的量，因此改變的條件只可能為升高溫度，
故答案為：升高溫度；
（3）①甲中通入O₂的一極發(fā)生還原反應(yīng)為正極；負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負(fù)極電極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：正；CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②乙為電解池，A為陽(yáng)極、B為陰極，A電極生成氣體為氧氣，B電極先析出Cu，而后生成氣體為氫氣，析出Cu的物質(zhì)的量為0.1L×1mol/L=0.1mol，設(shè)氧氣、氫氣的物質(zhì)的量均為n mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒：4n=2n+0.1×2，解得n=0.1，故A極析出的氧氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為0.1mol×22.4L/mol=2.24L，
故答案為：2.24L；
③根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，
依據(jù)②計(jì)算得到電子轉(zhuǎn)移為0.2mol，當(dāng)電子轉(zhuǎn)移為0.2mol時(shí)，丙中陽(yáng)極電極反應(yīng)Cu-2e-=Cu²⁺，生成Cu²⁺物質(zhì)的量為0.1mol，圖象分析每個(gè)單位為0.05mol，陰極電極反應(yīng)Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，原溶液中有Fe²⁺ 0.1mol，所以原溶液中c（Fe²⁺）=$\frac{0.1mol}{0.1L}$=1mol/L，
故答案為：Cu²⁺；1mol/L．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較大，題目涉及燃料電池、電解原理的應(yīng)用、離子濃度大小比較、電極反應(yīng)式書寫以及據(jù)電極反應(yīng)式的計(jì)算，蓋斯定律計(jì)算和熱化學(xué)方程式書寫方法，題目難度中等，注意把握原電池和電解質(zhì)中電極方程式的書寫以及電子守恒在計(jì)算中的應(yīng)用．