Question

6．清潔能源具有廣闊的開發(fā)和應用前景，可減少污染解決霧霾問題，其中甲醇、甲烷是優(yōu)質的清潔燃料，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，測得不同溫度下容器內的壓強（P：kPa）隨時間（min）的變化關系如圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線所示：

（1）Ⅱ和Ⅰ相比，改變的反應條件是Ⅱ中使用催化劑．
（2）反應Ⅰ在6min時達到平衡，在此條件下從反應開始到達到平衡時v（CH₃OH）=0.125 mol/（L．min）．
（3）反應Ⅱ在2min時達到平衡，平衡常數K（Ⅱ）=12．
（4）比較反應Ⅰ的溫度（T₁）和反應Ⅲ的溫度（T₃）的高低：T₁＞T₃（填“＞”“＜”“=”），判斷的理由是此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動．
Ⅱ、甲烷和甲醇可以做燃料電池，具有廣闊的開發(fā)和應用前景，回答下列問題
（5）甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于結構簡單、能量轉化率高、對環(huán)境無污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關注．DMFC工作原理如圖2所示：通入a氣體的電極是原電池的負極（填
“正”或“負”），其電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
（6）某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液電解實驗，如圖3所示U形管中氯化鈉溶液的體積為800ml．閉合K后，若每個電池甲烷用量均為0.224L（標況），且反應完全，則理論上通過電解池的電量為7.72×10³C（法拉第常數F=9.65×10⁴C/mol），若產生的氣體全部逸出，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相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質的量減小的反應，應是使用催化劑；
（2）恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質的量之比，故平衡時混合氣體總物質的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，則：
           CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質的量減小△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v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH）；
（3）Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數相同，根據K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$計算平衡常數；
（4）反應Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度；
Ⅱ、（5）根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應；
（6）電解氯化鈉溶液的化學方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH計算．

解答 解：Ⅰ．（1）Ⅱ和Ⅰ相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質的量減小的反應，應是使用催化劑，
故答案為：Ⅱ中使用催化劑；
（2）恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質的量之比，故平衡時混合氣體總物質的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，則：
            CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質的量減小△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，平衡常數相同，平衡常數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Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度，故溫度T₁溫度更高，
故答案為：＞；此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動；
Ⅱ、（5）根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應，負極反應式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
（6）電解氯化鈉溶液的化學方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH，故若每個電池甲烷通入量為0.224L（標準狀況），生成0.08molNaOH，c（NaOH）=$\frac{0.08mol}{0.8L}$=0.1mol/L，pH=13；電解池通過的電量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（題中雖然有兩個燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個池的甲烷量計算），
故答案為：7.72×10³C；13．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、反應速率與平衡常數及電極判斷與電極反應式書寫等問題，題目難度中等，明確化學平衡及其影響為解答關鍵，注意掌握三段式在化學計算中的應用，試題培養(yǎng)了學生的化學計算能力．