Question

4．能源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，我國目前使用的能源主要是化石燃料．
（1）在25℃、101kPa時(shí)，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出的熱量是890.31kJ，則CH₄燃燒的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ．
（2）如圖所示組成閉合回路，其中，甲裝置中CH₄為負(fù)極，O₂和CO₂的混合氣體為正極，稀土金屬材料為電極，以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)；乙裝置中a、b為石墨，b極上有紅色物質(zhì)析出，CuSO₄溶液的體積為200mL．

①甲裝置中氣體A為CH₄（填“CH₄”或“O₂和CO₂”），d極上的電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
②乙裝置中a極上的電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O．
若在a極產(chǎn)生112mL（標(biāo)準(zhǔn)狀況）氣體，則甲裝置中消耗CH₄56 mL （標(biāo)準(zhǔn)狀況），乙裝置中所得溶液的pH=1．（忽略電解前后溶液體積變化）
③如果乙中電極不變，將溶液換成飽和Na₂SO₄溶液，當(dāng)陰極上有a mol氣體生成時(shí)，同時(shí)有w g Na₂SO₄•10H₂O晶體析出，若溫度不變，剩余溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)為$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$（用含w、a的表達(dá)式表示，不必化簡）．

Answer 1

分析 （1）16g甲烷的物質(zhì)的量是1mol，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出的熱量是890.31kJ，即1molCH₄完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出的熱量是890.31kJ，據(jù)此書寫熱化學(xué)方程式；
（2）①b電極上有紅色物質(zhì)生成，則b是陰極，所以a是陽極，c是負(fù)極、d是正極，通入甲烷的電極是負(fù)極，所以A是甲烷、B是二氧化碳和氧氣，d電極上氧氣得電子和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸根離子；
②a是陽極，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣；
根據(jù)轉(zhuǎn)移電子相等計(jì)算消耗甲烷體積；根據(jù)氧氣和氫離子之間的關(guān)系式計(jì)算氫離子物質(zhì)的量濃度，從而確定pH；
③電解飽和硫酸鈉溶液時(shí)，陽極上析出氧氣、陰極上析出氫氣，所以相當(dāng)于電解水，且生成氫氣和氧氣的物質(zhì)的量之比是2：1，所以當(dāng)陰極上有a mol氣體生成時(shí)，陽極上生成氧氣物質(zhì)的量為0.5amol，電解水的質(zhì)量=amol×2g/mol+0.5amol×32g/mol=18ag，
剩余溶液仍然是飽和溶液，生成m（Na₂SO₄）=wg×$\frac{142}{322}$，
溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{wg×\frac{142}{233}}{wg+18ag}×100%$．

解答 解：（1）16g甲烷的物質(zhì)的量是1mol，16g CH₄完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出的熱量是890.31kJ，即1molCH₄完全燃燒生成液態(tài)水時(shí)放出的熱量是890.31kJ，所以甲烷的燃燒熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.31kJ•mol^-1 ；
（2）①b電極上有紅色物質(zhì)生成，則b是陰極，所以a是陽極，c是負(fù)極、d是正極，通入甲烷的電極是負(fù)極，所以A是CH₄、B是二氧化碳和氧氣，d電極上氧氣得電子和二氧化碳反應(yīng)生成碳酸根離子，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案為：CH₄；O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
②a是陽極，陽極上氫氧根離子放電生成氧氣，電極反應(yīng)式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；
a極上生成n（O₂）=$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，生成0.005mol氧氣轉(zhuǎn)移電子物質(zhì)的量=0.005mol×4=0.02mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子相等計(jì)算消耗甲烷體積=$\frac{0.02mol}{8}×22.4L/mol$=56mL；
電池反應(yīng)式為2Cu²⁺+2H₂O=4 H⁺+O₂↑+2Cu，根據(jù)方程式知，n（ H⁺）=4n（O₂）=4×0.005mol=0.02mol，c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，則溶液的pH=1，
故答案為：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；56；1；
③電解飽和硫酸鈉溶液時(shí)，陽極上析出氧氣、陰極上析出氫氣，所以相當(dāng)于電解水，且生成氫氣和氧氣的物質(zhì)的量之比是2：1，所以當(dāng)陰極上有a mol氣體生成時(shí)，陽極上生成氧氣物質(zhì)的量為0.5amol，電解水的質(zhì)量=amol×2g/mol+0.5amol×32g/mol=18ag，
剩余溶液仍然是飽和溶液，生成m（Na₂SO₄）=wg×$\frac{142}{322}$，
溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)=$\frac{wg×\frac{142}{322}}{wg×18ag}×100%$=$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$，
故答案為：$\frac{142w}{322（w+18a）}×100%$．

點(diǎn)評 本題考查熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫、原電池和電解池原理及質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)計(jì)算，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，明確各個(gè)電極上發(fā)生的反應(yīng)結(jié)合轉(zhuǎn)移電子相等進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，難點(diǎn)是（2）③計(jì)算，利用析出晶體與電解水計(jì)算溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)即可，題目難度不大．