Question

如图所示，装置Ⅰ为甲烷燃料电池（电解质溶液为2L 2mol/LKOH溶液），通过装置Ⅱ制备稀H₂SO₄．若持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷的体积V L．

①0＜V≤44.8时，装置Ⅰ的总反应方程式为：

 

．
②44.8＜V≤89.6时，装置Ⅰ中负极电极反应为：

 

．
③装置Ⅱ中C棒上的电极反应式为：

 

．
④若装置Ⅰ中消耗的甲烷在标况下的体积为22.4L，则装置Ⅱ中理论上生成的H₂SO₄的物质的量为

 

mol．

Answer 1

考点：原电池和电解池的工作原理

专题：

分析：①②n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根据甲烷的量计算生成的二氧化碳的量，结合反应方程式判断反应产物及发生的反应；
③通过装置Ⅱ制备稀H₂SO₄，则Cu电极不能失电子，所以Cu为阴极，阴极上铜离子得电子，C为阳极，阳极上氢氧根离子失电子；
④根据电子守恒结合电极方程式计算．

解答： 解：n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
①当0＜V≤44.8 L时，0＜n（CH₄）≤2mol，则0＜n（CO₂）≤2mol，只发生反应①②，且KOH过量，则电池总反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②当44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，则2mol＜n（CO₂）≤4mol，发生反应①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，则总反应式为：CH₄+2O₂+K₂CO₃═2KHCO₃+H₂O，则负极的电极反应式为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O═10HCO₃^-；
故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O═10HCO₃^-；
③通过装置Ⅱ制备稀H₂SO₄，则Cu电极不能失电子，所以Cu为阴极，阴极上铜离子得电子，C为阳极，阳极上氢氧根离子失电子，所以C上的电极反应为：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；
故答案为：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O；
④若装置Ⅰ中消耗的甲烷在标况下的体积为22.4L，甲烷的物质的量为1mol，已知CH₄-8e^-+10OH^-=CO₃^2-+7H₂O，则转移的电子为8mol，装置Ⅱ中2H₂O-4e^-═4H⁺+O₂↑，转移8mol电子时生成8molH⁺，所以生成的H₂SO₄的物质的量为4mol；
故答案为：4．

点评：本题考查了燃料电池、电解池的工作原理和规律等重要考点，涉及的知识点较多，综合性较强，难度较大，注意把握电极方程式的书写和电子守恒的应用．