Question

【題目】（1）甲醇（CH3OH，常溫下為液態）是一種常用的能源物質。

①甲醇的熱值為23 kJ · g－1。寫出甲醇燃燒熱的熱化學方程式：_________________________。

②以甲醇為原料設計成燃料電池：若以熔融Na2CO3作為電解質，一極充入甲醇，另一極充入空氣和CO2氣體。回答下列問題：

充入空氣和CO2氣體的電極為__________極，該電池的總反應式：_____________________，充入甲醇電極的反應式：______________________________________。

③若用該燃料電池為電源，用石墨電極電解250 mL CuSO4溶液。則與充入空氣和CO2氣體的電極相連的是電解池的_______極；與甲醇電極相連的電極反應式為______________________；若燃料電池中消耗0.05 mol甲醇，電解池中共產生標準狀況下氣體2.24 L， 則原 CuSO4溶液濃度為________mol·L－1（假設電解前后溶液體積不變）。

（2）以四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]水溶液為原料，通過電解法可以制備四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]，裝置如圖所示。寫出該電解的總反應_________________________________。

Answer 1

【答案】CH3OH(l)＋3/2O2(g)＝CO2(g)＋2H2O(l)，ΔH1＝－736 kJ·mol－1 正 2CH3OH＋3O2＝2CO2＋4H2O CH3OH－6e－＋3CO32－＝4CO2＋2H2O 陽 Cu2++2e-＝Cu 0.5 2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑

【解析】

(1) ①101kPa下，1mol純物質完全燃燒生成穩定的氧化物時所釋放的熱量稱為該物質的燃燒熱，據此寫出甲醇燃燒熱的熱化學方程式；

②以熔融Na2CO3作為電解質的甲醇燃料電池的總反應：CH3OH+O2=CO2+2H2O，從分析化合價入手確定電池的正、負極及電極反應式；

③以甲醇燃料電池為電源電解CuSO4溶液時，在電解池中與電源正極相連的為陽極，與電源負極相連的為陰極，陰極發生還原反應，據此寫出陰極反應式。甲醇燃料電池與電解池是串聯的，根據電路中轉移的電子守恒，利用討論法分析電解產生的2.24L氣體是純O2還是H2和O2的混合氣體，來確定CuSO4被電解完后是否有水被電解，再根據反應式的計量關系進行相關計算；

(2) 分析四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]和四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]的化學式可知，由四甲基氯化銨轉化為四甲基氫氧化銨即將-Cl替換為-OH（羥基），再結合電解池中陽極發生氧化反應，陰極發生還原反應確定電解過程中還會產生Cl2和H2，據此寫出總反應的化學方程式。

(1) ①甲醇的摩爾質量為32g/mol，1mol甲醇完全燃燒生成CO2(g)和H2O(l)時釋放出的熱量=32g/mol×1mol×23kJ/g=736kJ，甲醇燃燒熱的熱化學方程式為CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)，△H=-736kJ/mol。

② 以熔融Na2CO3作為電解質的甲醇燃料電池的總反應：2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O，其中氧元素化合價由0價降低到-2價，故O2得電子發生還原反應，所以充入空氣和CO2的一極是正極；甲醇中碳元素化合價由-2價升高到+4價，每個碳原子得6個電子，充入甲醇的一極為負極，其電極反應為CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O。

③由上面分析可知，甲醇燃料電池中充入空氣和CO2氣體的一極為正極；充入甲醇的一極為負極。在以甲醇燃料電池為電源的電解池中與電源正極相連的為陽極，即與充入空氣和CO2氣體的一極相連的為電解池的陽極。與甲醇電極相連的為電解池的陰極，電解池的陰極發生還原反應，其電極反應式為Cu2++2e-=Cu。用石墨電極電解CuSO4溶液總反應式為2CuSO4+2H2O2Cu+O2↑+2H2SO4~轉移電子4e-。由燃料電池負極反應式CH3OH-6e-+3CO32-=4CO2+2H2O可知，每消耗0.05 mol甲醇時電路中轉移電子物質的量=0.05mol×6=0.3mol，再由電解CuSO4的陽極反應式2H2O－4e－＝O2↑＋4H＋可知，產生的2.24 L氣體若是純O2，則此時轉移電子物質的量=4×=0.4mol>0.3mol，說明電解產生的2.24L氣體是H2和O2的混合氣體，即CuSO4電解結束后又繼續電解水：2H2O2H2↑+O2↑~轉移電子4e-。設原CuSO4溶液中含CuSO4物質的量為x，電解CuSO4轉移的電子物質的量為2x，則電解水轉移電子物質的量=0.3mol-2x，電解池共產生氣體物質的量=×2x+×(0.3mol-2x)= ，解得x=0.125mol，所以原CuSO4溶液濃度==0.5mol/L。

(2)分析四甲基氯化銨[(CH3)4NCl]和四甲基氫氧化銨[(CH3)4NOH]的化學式可知，由四甲基氯化銨轉化為四甲基氫氧化銨即將-Cl替換為-OH（羥基），氯原子可在陽極放電生成Cl2，-OH可有陰極H2O的H+放電產生的OH-轉化而來：2H2O+4e-=2H2↑+4OH-，所以電解產物還應有Cl2和H2，總反應方程式為2(CH3)4NCl＋2H2O2(CH3)4NOH＋H2↑＋Cl2↑。