Question

甲醇是一種可再生能源，用途廣泛，一種由甲醇、氧氣以及強堿溶液制成的新型手機電池，容量達氫鎳電池或鋰電池的10倍．回答下列有關問題：
（1）工業上有一種生產甲醇的反應：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ?mol^-1
在某溫度下，容積均為1L的A、B兩個容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫恒容，經10秒鐘后達到平衡，達到平衡時的有關數據如下表：

容器	A	B
反應物投入量	1mol CO2（g）和3mol H2（g）	1mol CH3OH（g）和1mol H2O（g）
CH3OH（g）濃度	c1	c2
反應能量變化	放出29.4kJ	吸收akJ

①從反應開始至達到平衡時，A中用CO₂來表示的平均反應速率為______．
②該溫度下，反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g） 的化學平衡常數的值為______．
③a=______．
④下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是______．
A．升高溫度        B．充入氫氣
C．將水蒸氣從體系中分離    D．用更有效的催化劑
（2）某同學設計了一個甲醇燃料電池，并用該電池電解200mL一定濃度的NaCl與CuSO₄混合溶液，其裝置如圖1：

①寫出甲中通入甲醇一極的電極反應式______．
②圖2中曲線Ⅰ、Ⅱ分別表示乙中兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系（氣體體積已換算成標準狀況下的體積），寫出電解開始時鐵極上的電極反應式______；
t₁后石墨電極上的電極反應式______；計算在t₂時所得溶液的pH為（忽略電解前后溶液體積的變化）______．

Answer 1

【答案】分析：（1）①先根據反應中能量變化求出參加反應的CO₂的物質的量，然后再根據v=求出CO₂的平均反應速率；
②首先計算出平衡時各物質的濃度，根據K= 計算；
③恒溫恒容下，容器A與容器B為等效平衡，平衡時對應組分的物質的量、濃度相等，二者起始物質的量等于各物質的化學計量數，放出熱量與吸收熱量之和等于反應熱數值；
④要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，應使平衡向正反應方向移動；
（2）①甲醇發生氧化反應，在堿性條件下生成碳酸根與水；
②圖1中原電池通入甲醇的為負極，乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu：Cu²⁺+2e^-=Cu，故圖2中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，根據氧氣的量計算氫氧根離子的物質的量，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，根據公式計算得出C（H⁺），從而得出溶液的pH．
解答：解：（1）①1mol二氧化碳完全反應放出49.0kJ熱量，當放出29.4kJ熱量時，則參加反應的n（CO₂）==0.6mol，CO₂的平均反應速率v====0.06mol/（L?S），故答案為：0.06mol/（L?S）；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始（mol/L）     1             3              0             0
轉化（mol/L）   0.6           1.8          0.6          0.6
平衡（mol/L）   0.4           1.2          0.6          0.6
根據K===0.12，
故答案為：0.12；
③恒溫恒容下，容器A與容器B為等效平衡，平衡時對應組分的物質的量、濃度相等，二者起始物質的量等于各物質的化學計量數，放出熱量與吸收熱量之和等于反應熱數值，則吸收的熱量=反應熱-放出的熱量=49.0kJ-29.4kJ=19.6kJ，
故答案為：19.6；
④要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，應使平衡向正反應方向移動，
A．因正反應放熱，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，則n（CH₃OH）/n（CO₂）減小，故A錯誤；
B．充入氫氣，平衡向正反應方法移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，．故B正確；
C．將水蒸氣從體系中分離，平衡向正反應方法移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正確；
D．用更有效的催化劑，平衡不移動，則n（CH₃OH）/n（CO₂）不變，故D錯誤．
故答案為：BC；
（2）①甲醇燃料電池中，在堿性條件下，甲醇失電子生成碳酸根與水，電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②圖1中乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極，開始Cl^-在陽極放電生成氯氣，陰極Cu²⁺放電生成Cu：Cu²⁺+2e^-=Cu；故圖2中Ⅰ表示陰極產生的氣體，Ⅱ表示陽極產生的氣體，t₁前電極反應式為：陽極2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨電極上的電極反應式為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；t₁～t₂電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂點后電極反應式為：陽極4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 陽極上生成氧氣，t₁～t₂Ⅱ產生的氣體體積=0.336L-0.224L=0.112L，陽極上生成112mL氧氣需要n（OH^-）==0.02mol，水電離出等物質的量的氫離子和氫氧根離子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）==0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案為：Cu²⁺+2e^-=Cu；4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1．
點評：本題考查了化學平衡的有關計算、電解池原理等知識點，電解硫酸銅和氯化鈉混合溶液時，明確離子的放電順序是解本題的關鍵，難度較大．