Question

【题目】温室效应是由于大气里温室气体(二氧化碳、甲烷等)含量增大而形成的。回答下列问题：

(1)利用CO2可以制取甲醇，有关化学反应如下：

①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g ) ΔH1=-178 kJ/mol

②2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH2=-566 kJ/mol

③2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH3=-483.6 kJ/mol

已知反应①中相关的化学键键能数据如下：

化学键	C—C	C—H	H—H	C—O	H—O
键能/ kJ/mol	348	413	436	358	463

由此计算断开1 mol CO需要吸收____________kJ的能量（甲醇的球棍模型如图所示）；

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)　ΔH=________ kJ/mol。

(2)甲烷燃料电池(简称DMFC)由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。DMFC工作原理如下图所示：通入a气体的电极是原电池的______极(填“正”或“负”)，其电极反应式为___________________。

(3)下图是用甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)实现铁上镀铜，则b处通入的是______(填“CH4”或“O2”)，电解前，U形管的铜电极、铁电极的质量相等，电解2min后，取出铜电极、铁电极，洗净、烘干、称量,质量差为12.8g，在通电过程中，电路中通过的电子为_____mol，消耗标准状况下CH4________mL。

Answer 1

【答案】 750 -219.2 kJ·mol-1 负 CH4 + 2H2O - 8e- CO2 + 8H+ O2 0.2 560

【解析】(1)二氧化碳的结构式为O=C=O，根据反应焓变=反应物键能之和-生成物键能之和计算，断开1molC═O需要吸收的能量；根据盖斯定律求算CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)的反应热；

(2)根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应；

(4)电镀时，镀件作电解池的阴极，发生还原反应，连接电源的负极；镀层金属铜作电解池的阳极，连接电源的正极；根据电子转移守恒计算甲烷的体积。

(1)二氧化碳为直线型结构，分子中存在两个碳氧双键，二氧化碳的电子式为；结构式为O=C=O，设C═O的键能为x，①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-178kJmol-1，反应焓变△H=反应物键能之和-生成物键能之和=2x+3×436-(3×413+358+463)-(2×463)=-178kJ，解得x=750kJ，即断开1molC═O需要吸收的能量为750kJ；①CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-178kJmol-1，②2CO(g)+O2(g)═2CO2(g)△H2=-566kJmol-1，③2H2(g)+O2(g)═2H2O(g)△H3=-483.6kJmol-1，将①+(②-③)×得：CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)根据盖斯定律可得△H=(-178kJmol-1)+[(-566kJmol-1)-(-483.6kJmol-1)]×=-219.2kJmol-1，故答案为：750；-219.2kJmol-1；

(2)根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a气体的电极为负极、通入b气体的电极为正极，负极上甲烷失去电子发生氧化反应，负极反应式为 CH4 + 2H2O - 8e- =CO2 + 8H+，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O，故答案为：负；CH4 + 2H2O - 8e- =CO2 + 8H+；

(3)甲烷碱性燃料电池为电源，总电极反应式为CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，电镀时，镀件铁作电解池的阴极，连接甲烷燃料电源的负极，所以a应通入CH4；镀层金属作电解池的阳极，发生氧化反应，连接甲烷燃料电源的正极，所以b应通入O2；所以甲烷碱性燃料电池a处电极上CH4放电，发生氧化反应，电极反应式是CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O，铜、铁电极质量差为12.8g，说明析出了6.4g铜，物质的量为=0.1mol，电路中通过的电子为0.2mol，根据电子转移守恒8n(CH4)=2n(Cu)=0.2mol，所以n(CH4)=mol，所以v(CH4)=mol×22.4L/mol=0.56L=560 mL，故答案为：O2；0.2；560。