Question

6．清潔能源具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景，可減少污染解決霧霾問(wèn)題，其中甲醇、甲烷是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，可制作燃料電池．
Ⅰ、一定條件下用CO和H₂合成CH₃OH：CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-105kJ•mol^-1．向體積為2L的密閉容器中充入2mol CO和4mol H₂，測(cè)得不同溫度下容器內(nèi)的壓強(qiáng)（P：kPa）隨時(shí)間（min）的變化關(guān)系如圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線所示：

（1）Ⅱ和Ⅰ相比，改變的反應(yīng)條件是Ⅱ中使用催化劑．
（2）反應(yīng)Ⅰ在6min時(shí)達(dá)到平衡，在此條件下從反應(yīng)開(kāi)始到達(dá)到平衡時(shí)v（CH₃OH）=0.125 mol/（L．min）．
（3）反應(yīng)Ⅱ在2min時(shí)達(dá)到平衡，平衡常數(shù)K（Ⅱ）=12．
（4）比較反應(yīng)Ⅰ的溫度（T₁）和反應(yīng)Ⅲ的溫度（T₃）的高低：T₁＞T₃（填“＞”“＜”“=”），判斷的理由是此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度，反應(yīng)速率減慢，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)．
Ⅱ、甲烷和甲醇可以做燃料電池，具有廣闊的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用前景，回答下列問(wèn)題
（5）甲醇燃料電池（簡(jiǎn)稱DMFC）由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)化率高、對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來(lái)越受到關(guān)注．DMFC工作原理如圖2所示：通入a氣體的電極是原電池的負(fù)極（填
“正”或“負(fù)”），其電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
（6）某研究小組將兩個(gè)甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源，進(jìn)行飽和氯化鈉溶液電解實(shí)驗(yàn)，如圖3所示U形管中氯化鈉溶液的體積為800ml．閉合K后，若每個(gè)電池甲烷用量均為0.224L（標(biāo)況），且反應(yīng)完全，則理論上通過(guò)電解池的電量為7.72×10³C（法拉第常數(shù)F=9.65×10⁴C/mol），若產(chǎn)生的氣體全部逸出，電解后溶液混合均勻，電解后U形管中溶液的pH為13．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）Ⅱ和Ⅰ相比反應(yīng)速率加快，不影響平衡移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，應(yīng)是使用催化劑；
（2）恒溫恒容下，壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，故平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，則：
           CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質(zhì)的量減小△n=2
起始量（mol）：2      4          0 
變化量（mol）：1.5    3          1.5                                   6-3=3
平衡量（mol）：0.5    1          1.5
再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₃OH）；
（3）Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數(shù)相同，根據(jù)K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（4）反應(yīng)Ⅲ達(dá)平衡時(shí)所用的時(shí)間比反應(yīng)Ⅰ達(dá)平衡時(shí)所用的時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)速率快，且Ⅲ平衡時(shí)壓強(qiáng)比I小，與I相比平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體體積減小放熱反應(yīng)，應(yīng)降低溫度；
Ⅱ、（5）根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動(dòng)方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（6）電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關(guān)系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH計(jì)算．

解答 解：Ⅰ．（1）Ⅱ和Ⅰ相比反應(yīng)速率加快，不影響平衡移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，應(yīng)是使用催化劑，
故答案為：Ⅱ中使用催化劑；
（2）恒溫恒容下，壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，故平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，則：
            CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質(zhì)的量減小△n=2
起始量（mol）：2       4           0
變化量（mol）：1.5     3          1.5            6-3=3
平衡量（mol）：0.5     1           1.5
則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{6min}$=0.125 mol/（L．min），
故答案為：0.125 mol/（L．min）；
（3）Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數(shù)相同，平衡常數(shù)K（Ⅱ）=K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$=$\frac{\frac{1.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=12，
故答案為：12；
（4）反應(yīng)Ⅲ達(dá)平衡時(shí)所用的時(shí)間比反應(yīng)Ⅰ達(dá)平衡時(shí)所用的時(shí)間長(zhǎng)，化學(xué)反應(yīng)速率快，且Ⅲ平衡時(shí)壓強(qiáng)比I小，與I相比平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體體積減小放熱反應(yīng)，應(yīng)降低溫度，故溫度T₁溫度更高，
故答案為：＞；此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度，反應(yīng)速率減慢，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
Ⅱ、（5）根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動(dòng)方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負(fù)；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
（6）電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關(guān)系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH，故若每個(gè)電池甲烷通入量為0.224L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），生成0.08molNaOH，c（NaOH）=$\frac{0.08mol}{0.8L}$=0.1mol/L，pH=13；電解池通過(guò)的電量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（題中雖然有兩個(gè)燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個(gè)池的甲烷量計(jì)算），
故答案為：7.72×10³C；13．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率與平衡常數(shù)及電極判斷與電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)等問(wèn)題，題目難度中等，明確化學(xué)平衡及其影響為解答關(guān)鍵，注意掌握三段式在化學(xué)計(jì)算中的應(yīng)用，試題培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)計(jì)算能力．