Question

【题目】甲烷是非常重要的能源和化工原料，请回答下列问题。

（1）用CH4催化还原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，写出CH4还原NO2至N2的热化学方程式：_____。

（2）如下图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)，通过装置Ⅱ实现铁棒镀铜。

①a处应通入______(填“CH4”或“O2”)，a处电极上发生的电极反应式是 ___________。

②电镀结束后，装置Ⅱ中Cu2＋的物质的量浓度____(填写“变大”“变小”或“不变”)。

③若实验过程中Ⅱ中的铜片质量减少了1.28g，则Ⅰ中理论上消耗CH4的体积(标准状况)__ _L。

（3）若将题（2）装置Ⅱ中的两电极均改为石墨惰性电极，电解质溶液仍为CuSO4溶液。

①写出装置Ⅱ中发生的总化学反应方程式_________。

②电解硫酸铜溶液一段时间后，装置Ⅱ中溶液的pH____(填写“变大”“变小”或“不变”)；要使原溶液复原，可向电解后的溶液中加入_______。

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 不变 0.112L 2CuSO4 + 2H2O2Cu + O2↑+2H2SO4 变小 CuO或CuCO3

【解析】

(1)根据盖斯定律分析解答；

(2)装置Ⅰ为甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)，通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极，据此分析解答；

(3)将装置Ⅱ中的两电极均改为石墨惰性电极，电解硫酸铜溶液生成金属铜和硫酸以及氧气，根据总反应方程式分析解答。

(1)CH4还原NO2至N2的化学反应方程式为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，根据盖斯定律，得：CH4(g)+2NO2(g)=N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=×[(-574kJmol-1)+(-1160kJmol-1)] =-867kJ/mol，故答案为：CH4(g)+2NO2(g)═N2(g)+CO2(g)+2H2O(g) △H=-867kJmol-1；

(2)装置Ⅰ为甲烷燃料电池(电解质溶液为KOH溶液)，通过装置Ⅱ实现铁棒上镀铜，则Cu作阳极、Fe作阴极。

①Cu作阳极应该连接原电池正极、Fe作阴极连接原电池负极，通入燃料的电极为负极、通入氧气的电极为正极，则a为负极、b为正极，a处通入甲烷、b处通入氧气，a处甲烷失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应为CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O， 故答案为：CH4；CH4+10OH--8e-=CO32-+7H2O；

②装置Ⅱ中阳极上溶解Cu、阴极上析出Cu，溶解的Cu等于析出的Cu质量，相当于溶液中Cu2+没有参加反应，则铜离子浓度不变，故答案为：不变；

③Ⅱ中的铜片质量减少了1.28g，溶解的铜的物质的量==0.02mol，失去电子0.04mol；串联电路中转移电子相等，所以消耗甲烷的体积=×22.4L/mol=0.112L，故答案为：0.112；

(3)将装置Ⅱ中的两电极均改为石墨惰性电极。

①装置Ⅱ中用惰性电极电解硫酸铜溶液，反应的总化学方程式为：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4，故答案为：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4；

②根据电解硫酸铜溶液发生的总化学方程式：2CuSO4+2H2O 2Cu+O2↑+2H2SO4，反应生成了硫酸，溶液的酸性增强，pH减小；根据出什么加什么、出多少加多少的原理，若想将上述电解后的溶液恢复为与电解前的溶液相同，加入CuO或CuCO3，可以使原溶液复原，故答案为：变小；CuO或 CuCO3。