Question

【題目】甲醇是重要的化工原料及能源物質(zhì)。

(1)利用CO2和H2在催化劑的作用下合成甲醇，發(fā)生的主要反應(yīng)如下:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH2=-58 kJ·mol-1，在某溫度時(shí)，將1. 0 mol CO 與2. 0 mol H2充入2 L的空鋼瓶中，發(fā)生上述反應(yīng)，在第5 min 時(shí)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，此時(shí)甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為10%。甲醇濃度的變化狀況如圖所示:

①?gòu)姆磻?yīng)開始到5 min 時(shí)，生成甲醇的平均速率為________，5 min 時(shí)與起始時(shí)容器的壓強(qiáng)比為______。

②5 min 時(shí)達(dá)到平衡，H2的平衡轉(zhuǎn)化率α=______%，化學(xué)平衡常數(shù)K=______。

③1 min 時(shí)的v(正)(CH3OH)________4 min時(shí)v(逆)(CH3OH ) (填“大于”“小于”或“等于”)。

④若將鋼瓶換成同容積的絕熱鋼瓶，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)________10%(填“>”“<”或“=”)。

(2)下圖是甲醇燃料電池工作的示意圖，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極。工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同。

①甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式為______________________。

②乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為________。

③丙裝置溶液中金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如下圖，則圖中②線表示的是____的變化；反應(yīng)結(jié)束后，要使丙裝置中金屬陽(yáng)離子恰好完全沉淀，需要____ mL 5. 0 mol·L-1 NaOH溶液。

Answer 1

【答案】0.025 mol·L-1·min-1 5:6 25 0.59 大于 < CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O 2.24 L Fe2+ 280

【解析】

（1）根據(jù)題目數(shù)據(jù)計(jì)算如下：

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始：0.5 1 0

反應(yīng)：x 2x x

平衡：0.5-x 1-2xx

甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為10%，所以x/(0.5-x+1-2x+x)×100%=10%，x=0.125mol/L；

①?gòu)姆磻?yīng)開始到5 min 時(shí)，生成甲醇的平均速率為0.125/5=0.025mol/(L·min)；壓強(qiáng)之比和氣體的物質(zhì)的量成正比，因此，5 min 時(shí)與起始時(shí)容器的壓強(qiáng)比為：（0.5-0.125+1-2×0.125+0.125）×2：（1+2）=5:6 ；綜上所述，本題答案是：5:6。

②5 min 時(shí)達(dá)到平衡，H2的平衡轉(zhuǎn)化率α=2×0.125/1×100%=25%；達(dá)平衡時(shí)CO、H2和CH3OH的物質(zhì)的量濃度分別為：0.375mol/L、0.75mol/L和0.125mol/L，所以平衡常數(shù)K＝0.125/0.375×0.752＝0.59；綜上所述，本題答案是：25，0.59。

③反應(yīng)達(dá)平衡的速率圖像如下圖：

所以，在達(dá)平衡前任意點(diǎn)的正反應(yīng)速率大于任意點(diǎn)的逆反應(yīng)速率，即1min時(shí)的v正(CH3OH)＞4min時(shí)v逆(CH3OH )；綜上所述，本題答案是：大于。

④若將鋼瓶換成同容積的絕熱鋼瓶，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，則反應(yīng)放出的熱量不能散發(fā)，會(huì)使體系溫度上升，正反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，甲醇體積分?jǐn)?shù)將減小，所以小于0.1；綜上所述，本題答案是：<。

(2)①甲醇燃料電池是原電池反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O；綜上所述，本題答案是：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O。

②工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，分析電極反應(yīng)，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣，設(shè)生成氣體物質(zhì)的量為x，溶液中銅離子物質(zhì)的量為0.1mol，發(fā)生兩步電極反應(yīng)為：①Cu2++2e﹣═Cu，0.1mol Cu2+參加反應(yīng)轉(zhuǎn)移電子0.2 mol；②2H++2e-=H2↑，生成氫氣為x mol，則轉(zhuǎn)移電子2x mol；A電極為陽(yáng)極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應(yīng)為：4OH--4e﹣= O2↑+2H2O，生成氧氣為x mol，轉(zhuǎn)移電子為4x mol；根據(jù)電子得失守恒規(guī)律：0.2+2x=4x，x=0.1mol，乙中A極析出的氣體是氧氣物質(zhì)的量為0.1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L；綜上所述，本題答案是：2.24L。

③根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無(wú)到增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe3+，②為Fe2+，③為Cu2+，依據(jù)②可知：當(dāng)電子轉(zhuǎn)移為0.2mol時(shí)，丙中陽(yáng)極電極反應(yīng)Cu-2e-Cu2+，生成Cu2+物質(zhì)的量為0.1mol；陰極電極反應(yīng)Fe3++e-Fe2+，溶液中有Fe3+為0.2mol，生成Fe2+為0.2mol，根據(jù)圖像可知，溶液中共有Fe2+為0.3mol；所以根據(jù)溶液中：Cu2+為0.1mol，F(xiàn)e2+為0.3mol，F(xiàn)e3+為0.2mol可知，需要加入NaOH的量為1.4mol，所以NaOH溶液等體積為:1.4 mol÷5.0 moL/L =0.28L=280mL。綜上所述，本題答案是：Fe2+，280。