Question

【題目】甲醇是重要的化工原料及能源物質。

(1)利用CO2和H2在催化劑的作用下合成甲醇，發生的主要反應如下:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH2=-58 kJ·mol-1，在某溫度時，將1. 0 mol CO 與2. 0 mol H2充入2 L的空鋼瓶中，發生上述反應，在第5 min 時達到化學平衡狀態，此時甲醇的物質的量分數為10%。甲醇濃度的變化狀況如圖所示:

①從反應開始到5 min 時，生成甲醇的平均速率為________，5 min 時與起始時容器的壓強比為______。

②5 min 時達到平衡，H2的平衡轉化率α=______%，化學平衡常數K=______。

③1 min 時的v(正)(CH3OH)________4 min時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，重復上述實驗，平衡時甲醇的物質的量分數________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。工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產生的氣體體積相同。

①甲中負極的電極反應式為______________________。

②乙中A極析出的氣體在標準狀況下的體積為________。

③丙裝置溶液中金屬陽離子的物質的量與轉移電子的物質的量變化關系如下圖，則圖中②線表示的是____的變化；反應結束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，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）根據題目數據計算如下：

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

起始：0.5 1 0

反應：x 2x x

平衡：0.5-x 1-2xx

甲醇的物質的量分數為10%，所以x/(0.5-x+1-2x+x)×100%=10%，x=0.125mol/L；

①從反應開始到5 min 時，生成甲醇的平均速率為0.125/5=0.025mol/(L·min)；壓強之比和氣體的物質的量成正比，因此，5 min 時與起始時容器的壓強比為：（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 時達到平衡，H2的平衡轉化率α=2×0.125/1×100%=25%；達平衡時CO、H2和CH3OH的物質的量濃度分別為：0.375mol/L、0.75mol/L和0.125mol/L，所以平衡常數K＝0.125/0.375×0.752＝0.59；綜上所述，本題答案是：25，0.59。

③反應達平衡的速率圖像如下圖：

所以，在達平衡前任意點的正反應速率大于任意點的逆反應速率，即1min時的v正(CH3OH)＞4min時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，重復上述實驗，則反應放出的熱量不能散發，會使體系溫度上升，正反應放熱，溫度升高，平衡逆向移動，甲醇體積分數將減小，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，甲醇在負極失電子發生氧化反應，電極反應為：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O；綜上所述，本題答案是：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O。

②工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產生的氣體體積相同，分析電極反應，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣，設生成氣體物質的量為x，溶液中銅離子物質的量為0.1mol，發生兩步電極反應為：①Cu2++2e﹣═Cu，0.1mol Cu2+參加反應轉移電子0.2 mol；②2H++2e-=H2↑，生成氫氣為x mol，則轉移電子2x mol；A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應為：4OH--4e﹣= O2↑+2H2O，生成氧氣為x mol，轉移電子為4x mol；根據電子得失守恒規律：0.2+2x=4x，x=0.1mol，乙中A極析出的氣體是氧氣物質的量為0.1mol，在標準狀況下的體積為2.24L；綜上所述，本題答案是：2.24L。

③根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化，可知，銅離子從無到增多，鐵離子物質的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe3+，②為Fe2+，③為Cu2+，依據②可知：當電子轉移為0.2mol時，丙中陽極電極反應Cu-2e-Cu2+，生成Cu2+物質的量為0.1mol；陰極電極反應Fe3++e-Fe2+，溶液中有Fe3+為0.2mol，生成Fe2+為0.2mol，根據圖像可知，溶液中共有Fe2+為0.3mol；所以根據溶液中：Cu2+為0.1mol，Fe2+為0.3mol，Fe3+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。