Question

【題目】甲醇是重要的化工原料。在催化劑的作用下，利用合成氣(主要成分為CO、CO2和H2)合成甲醇的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

I.CO+2H2CH3OH II.CO2+3H2CH3OH+H2O

Ⅲ.CO2+H2CO+H2O　

請(qǐng)回答下列問題：

(1)已知三種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱如下表：

物質(zhì)	CO(g)	H2(g)	CH3OH(l)
燃燒熱(kJ·mol1)	283.0	285.8	726.51

①書寫25℃、101kPa條件時(shí)CO燃燒熱的熱化學(xué)方程式______________________。

②計(jì)算25℃、101kPa條件時(shí)反應(yīng)Ⅰ的ΔH=_____kJ·mol1 。

(2)直接甲醇燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell)屬于質(zhì)子交換膜燃料電池，其工作原理如圖所示：

①c處產(chǎn)生的氣體是________

②負(fù)極的電極反應(yīng)式是____________。

(3)下圖是甲醇燃料電池工作示意圖，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乙中B極的電極反應(yīng)式_______；

②乙中A極析出的氣體在標(biāo)況下的體積________；

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)系如圖，則③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 5mol/L NaOH溶液。

Answer 1

【答案】CO (g)+O2(g)= CO2(g) △H= -283.0 kJmol-1 -128.09 CO2 CH3OH+H2O-6e-=CO2↑+6H+ Cu2++2e-=Cu 2H++2e-=H2↑ 2.24L Fe2+ 280ml

【解析】

(1)①25℃、101kPa條件時(shí)，1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物放出的熱量為燃燒熱；

②結(jié)合燃燒熱概念書寫燃燒熱的熱化學(xué)方程式，利用蓋斯定律計(jì)算得到；

(2)①甲醇燃料電池工作時(shí)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)；

②甲醇燃料電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)為甲醇在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化產(chǎn)物為CO2，并得到H+；

(3)①分析可知B電極與電源負(fù)極連接，為電解池的陰極，銅離子得電子生成銅，工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A，B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同說明銅離子全部放電后溶液中氫離子放電生成氫氣；

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，溶液中銅離子獲得電子變?yōu)殂~單質(zhì)析出，氫離子得到電子生成氫氣；A電極為陽(yáng)極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣；陽(yáng)極電極反應(yīng)和電子守恒計(jì)算得到；

③C電極為陽(yáng)極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽(yáng)離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽(yáng)離子，說明在電解過程中還有Cu2+生成，因此C電極是Cu電極，作陽(yáng)極，D電極是石墨作陰極，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)的量的變化確定曲線對(duì)應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計(jì)算。

(1)①25℃、101kPa條件時(shí)CO燃燒熱為-283.0kJ/mol，燃燒熱的熱化學(xué)方程式為；CO (g)+O2(g)=CO2(g) △H= -283.0kJmol-1；

②I. CO (g)+O2(g)=CO2(g) △H= -283.0kJmol-1；

Ⅱ.H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-285.8kJmol-1；

Ⅲ.CH3OH(l)+O2(g)=2H2O(l)+CO2(g) △H= -726.51kJmol-1；

根據(jù)蓋斯定律計(jì)算Ⅰ+Ⅱ×2-Ⅲ得到：CO(g)+2H2(g)CH3OH(l) △H= -128.09kJ/mol；

(2)①甲醇燃料電池工作時(shí)，陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，由圖可知c極為負(fù)極，則生成的氣體為CO2；

②甲醇燃料電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，則甲醇在負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，氧化產(chǎn)物為CO2，并得到H+，發(fā)生反應(yīng)的電極反應(yīng)式為CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+；

(3)①分析可知：B電極為電解池的陰極，Cu2+離子在陰極得電子生成單質(zhì)Cu，電極反應(yīng)為：Cu2++2e-=Cu，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，說明Cu2+全部放電后溶液中H+放電生成H2，此時(shí)電極反應(yīng)為：2H++2e-=H2↑；

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，H+放電生成H2，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n(Cu2+)=0.1L×1mol/L=0.1mol，電極反應(yīng)為：Cu2++2e-=Cu，則 0.1mol Cu2+反應(yīng)獲得0.2mol電子，根據(jù)電極反應(yīng)式：2H++2e-=H2↑可知：產(chǎn)生x mol H2轉(zhuǎn)移2x mol電子，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-=2H2O+O2↑，產(chǎn)生x mol O2，失去4mol電子，根據(jù)同一閉合回路中電子轉(zhuǎn)移數(shù)目相等可得0.2+2x=4x，解得x=0.1mol，乙中A極析出的氣體是氧氣物質(zhì)的量n(O2)=0.1mol，其在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積V=0.1mol×22.4L/mol=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)的量的變化圖象可知，銅離子從無逐漸增多，Fe3+物質(zhì)的量減小，Fe2+增加，①為Fe3+，②為Fe2+，③為Cu2+，依據(jù)②計(jì)算得到電子轉(zhuǎn)移為0.2mol，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，圖象分析每個(gè)單位為0.1mol，陰極電極反應(yīng)Fe3++e-=Fe2+，溶液中有Fe3+ 0.2mol，Fe2+ 0.3mol，Cu2+為0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等體積V(NaOH)==0.28L=280mL。