Question

3．參考下列圖表和有關要求回答問題：

（1）甲醇質子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉化為氫氣的一種原理是CH₃OH（g）和H₂O（g）反應生成CO₂和H₂．圖1是該過程中能量變化示意圖，若在反應體系中加入催化劑，反應速率增大，正反應活化能 a的變化是減小 （填“增大”、“減小”、“不變”），反應熱△H的變化是不變（填“增大”、“減小”、“不變”）．請寫反應進程出CH₃OH（g）和H₂O（g）反應的熱化學方程式CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol．
（2）甲醇質子交換膜燃料電池中將甲醇蒸氣轉化為氫氣的另一種反應原理是：
CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol
又知H₂O（g）═H₂O（l）△H=d kJ/mol．
則甲醇燃燒生成液態(tài)水的熱化學方程式為2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol．
（3）以CH₃OH燃料電池為電源電解法制取ClO₂．二氧化氯（ClO₂）為一種黃綠色氣體，是國際上公認的高效、廣譜、快速、安全的殺菌消毒劑．
①CH₃OH燃料電池放電過程中，通入O₂的電極附近溶液的pH=增大，負極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
②圖2中電解池用石墨作電極，在一定條件下電解飽和食鹽水制取 ClO₂．陽極產(chǎn)生 ClO₂的反應式為Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑．
③電解一段時間，從陰極處收集到的氣體比陽極處收集到氣體多 6.72L時（標準狀況，忽略生成的氣體溶解），停止電解，通過陽離子交換膜的陽離子為1mol．

Answer 1

分析 （1）催化劑降低反應的活化能，加快反應速率，即a減小，但催化劑不能改變活化能，即反應熱△H不變．根據(jù)圖象可知反應熱=akJ/mol-bkJ/mol，所以CH₃OH（g）和H₂O（g）反應的熱化學方程式為CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol．
（2）已知：①CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol，②H₂O（g）=H₂O（l）△H=d kJ/mol，③CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，則根據(jù)蓋斯定律可知①×6+②×4-③×4即可得到甲醇燃燒生成液態(tài)水的熱化學方程式為2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
（3）以CH₃OH燃料電池為電源電解法制取ClO₂．二氧化氯（ClO₂）為一種黃綠色氣體，通入O₂的電極是正極，負極甲醇失去電子在堿溶液中生成碳酸鹽，
①CH₃OH燃料電池放電過程中，通入O₂的電極是正極，氧氣得到電子轉化為氫氧根，則附近溶液的pH增大，負極甲醇失去電子在堿溶液中生成碳酸鹽；
②電解池中陽極失去電子，則陽極氯離子放電，產(chǎn)生ClO₂，結合電子守恒和電荷守恒配平書寫；
③電解一段時間，從陰極處收集到的氣體比陽極處收集到氣體多 6.72L時（標準狀況，忽略生成的氣體溶解），多出的氣體是氫氣，物質的量是0.3mol．設陽極產(chǎn)生的氣體是xmol，則根據(jù)電子得失守恒可知5x=（0.3+x）×2，解得x=0.2，即轉移1mol電子，鈉離子通過陽離子交換膜，所以通過陽離子交換膜的陽離子為1mol．

解答 解：（1）催化劑降低反應的活化能，加快反應速率，即a減小，但催化劑不能改變活化能，即反應熱△H不變，反應能量圖中生成物的總能量大于反應物的總能量，則為吸熱反應，由圖可知，1mol 甲醇和1mol 水蒸氣反應生成CO₂和氫氣吸收的熱量為（a-b）kJ，反應熱化學方程式為：CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，
故答案為：減�。徊蛔�；CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol；
（2）已知：①CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=c kJ/mol，
②H₂O（g）=H₂O（l）△H=d kJ/mol，
③CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H=+（a-b）kJ/mol，
則根據(jù)蓋斯定律可知①×6+②×4-③×4即可得到甲醇燃燒生成液態(tài)水的熱化學方程式為：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol，
故答案為：2CH₃OH（g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-（4a-4b-6c-4d）kJ/mol；
（3）①CH₃OH燃料電池放電過程中，通入O₂的電極是正極，氧氣得到電子轉化為氫氧根，則附近溶液的pH增大，負極甲醇失去電子，反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：增大，CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；  
②電解池中陽極失去電子，則陽極氯離子放電，產(chǎn)生ClO₂的反應式為：Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑，
故答案為：Cl^--5e^-+2H₂O=4H⁺+ClO₂↑；
③電解一段時間，從陰極處收集到的氣體比陽極處收集到氣體多 6.72L時（標準狀況，忽略生成的氣體溶解），多出的氣體是氫氣，物質的量=$\frac{6.72L}{22.4L/mol}$=0.3mol，設陽極產(chǎn)生的氣體是xmol，則根據(jù)電子得失守恒可知5x=（0.3+x）×2，解得x=0.2，即轉移1mol電子，鈉離子通過陽離子交換膜，所以通過陽離子交換膜的陽離子為1mol，
故答案為：1．

點評 本題主要是考查催化劑對反應速率、反應熱的影響、蓋斯定律應用及電化學原理的應用，注意原電池和電解池的原理分析和電極反應書寫，題目難度中等．