Question

18．甲醇（CH₃OH）是一種重要的化工原料，既可用于化工生產(chǎn)，也可直接用做燃料．
（1）工業(yè)上可用CO₂和H₂反應制得甲醇．在2×10⁵Pa、300℃的條件下，CO₂和H₂反應生成甲醇和水，當消耗2molCO₂時放出98kJ的熱量，該反應的熱化學方程式為CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;\;\;300℃\;\;\;}}{200kPa}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ/mol．
（2）甲醇也可由CO與H₂反應制得．在一定溫度下，初始容積相同的兩個容器中（如圖1），發(fā)生反應：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）．

①能表明甲和乙容器中反應一定達到平衡狀態(tài)的是C（填字母代號）．
A．混合氣體的密度保持不變          B．混合氣體的總壓強保持不變
C．CO的質量分數(shù)保持不變            D．CO 與H₂的轉化率之比為3：2
E．v（CO）=v（CH₃OH）
②兩容器中反應達到平衡時，Co的轉化率α_甲＞α_乙（填“＞”、“＜”或“=”）
（3）組成$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO+C{O}_{2}）}$=2.60時，體系中CO 的平衡轉化率（α）動與溫度和壓強的關系如圖2所示．圖中的壓強由大到小依次為p₃＞p₂＞p₁，其判斷理由是該反應為氣體分子數(shù)減小的反應，在相同溫度下，加壓有利于提升CO的轉化率．
（4）甲醇燃料電池（簡稱DMFC）可作為常規(guī)能源的替代品而備受關注．DMFC的工作原理如圖所示：
①加入a 物質的電極是電池的負（填“正”或“負”）極，其電極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺．
②常溫下以該裝置作電源，用惰性電極電解NaCl和CuSO₄的混合溶液，當電路中通過0.4mol電子的電量時，兩電極均得到0.14mol的氣體．若電解后溶液體積為4OL，則電解后溶液的pH 為11．

Answer 1

分析 （1）在2×10⁵Pa、300℃的條件下，CO₂和H₂反應生成甲醇和水，當消耗2molCO₂時放出98kJ的熱量，消耗1molCO₂時，反應放出熱量49kJ，據(jù)此寫出熱化學反應方程式；
（2）①在一定溫度下，初始容積相同的兩個容器中，發(fā)生反應：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），甲容器為恒壓裝置，乙容器為恒容裝置，反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，據(jù)此判斷化學平衡的標志；
②反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，增壓有利于反應正向移動，使CO的轉化率增大，據(jù)此判斷兩容器中CO的轉化率；
（3）反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，增壓有利于反應正向移動，使CO的轉化率增大，根據(jù)轉化率圖象判斷壓強的大小，說明判斷的理由；
（4）①根據(jù)裝置圖分析，a電極處電子流出，做原電池負極，物質發(fā)生氧化反應，負極為甲醇失去電子，考慮到有H⁺轉移到正極處，則電極產(chǎn)物為CO₂和H⁺，據(jù)此寫出電極反應式；
②惰性電極電解NaCl和CuSO₄的混合溶液，根據(jù)電極反應分析，電解過程中遵循電子得失守恒，據(jù)此計算．

解答 解：（1）在2×10⁵Pa、300℃的條件下，CO₂和H₂反應生成甲醇和水，當消耗2molCO₂時放出98kJ的熱量，消耗1molCO₂時，反應放出熱量49kJ，則該反應的熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;\;\;300℃\;\;\;}}{200kPa}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）$\frac{\underline{\;\;\;300℃\;\;\;}}{200kPa}$CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ/mol；
（2）①在一定溫度下，初始容積相同的兩個容器中，發(fā)生反應：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），甲容器為恒壓裝置，乙容器為恒容裝置，反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，
A．混合氣體的密度為$ρ=\frac{{m}_{混}}{{V}_{容器}}$，反應前后，整個體系中根據(jù)質量守恒定律，總混合氣體的質量不發(fā)生改變，對于甲容器，隨著反應進行，容器體積發(fā)生改變，密度可以作為化學平衡的判據(jù)，對于乙容器，恒容裝置體積不變，整個反應過程密度不變，所以密度不可作為化學平衡的判據(jù)，不能同時說明甲和乙的化學平衡，故A不選；
B．甲為恒壓裝置，整個反應過程體系總壓強不變，壓強不可作為化學平衡的判據(jù)，乙容器為恒容裝置，反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，體系壓強變小，壓強可以作為化學平衡的判據(jù)，不能同時甲和乙的化學平衡，故B不選；
C．CO的質量分數(shù)是指CO的質量占總質量的百分含量，根據(jù)質量守恒總質量不變，CO隨著反應進行，質量發(fā)生改變，反應達到平衡時，CO的質量不變，所以可以同時說明甲和乙的化學平衡，故C選；
D．CO 與H₂的轉化率之比需視具體的參加反應的量而定，不一定是3：2，沒有說服力，故D不選；
E．v（CO）=v（CH₃OH），對于用化學反應速率描述化學平衡時，需注明是逆反應速率還是正反應速率，未注明則不能說明化學平衡，故E不選，
故答案為：C；
②反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，增壓有利于反應正向移動，使CO的轉化率增大，以乙容器作為參考，若甲容器體積不變，則平衡時，甲容器中的CO的轉化率和乙容器中CO的轉化率相等，現(xiàn)甲容器隨著反應進行，體積縮小，相當于對反應進行加壓，則化學平衡向減壓方向，即正反應方向移動，因此相對于乙容器來說，甲的正向反應程度大于乙，則CO的轉化率α_甲＞α_乙，
故答案為：＞；
（3）組成$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO+C{O}_{2}）}$=2.60時，由于反應為氣體分子數(shù)減少的反應，隨著反應進行，壓強減小，增壓有利于反應正向移動，使CO的轉化率增大，控制變量法分析，取相同溫度時的三個壓強來看，根據(jù)原理分析知道高壓強對應著高的反應物轉化率α（CO），因此壓強大小關系為：p₃＞p₂＞p₁，其判斷理由是：該反應為氣體分子數(shù)減小的反應，在相同溫度下，加壓有利于提升CO的轉化率，
故答案為：p₃＞p₂＞p₁；該反應為氣體分子數(shù)減小的反應，在相同溫度下，加壓有利于提升CO的轉化率；
（4）①根據(jù)裝置圖分析，a電極處電子流出，做原電池負極，
物質發(fā)生氧化反應，負極為甲醇失去電子，考慮到有H⁺轉移到正極處，則電極產(chǎn)物為CO₂和H⁺，則其電極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺，
故答案為：負；CH₃OH+H₂O-6e^-═CO₂+6H⁺；
②惰性電極電解NaCl和CuSO₄的混合溶液，電解時，溶液中陽離子向陰極移動，陰離子向陽極移動，根據(jù)放電順序，陰極放電順序為：Cu²⁺，Na⁺，陽極放電順序為：Cl^-，SO₄^2-，當電路中通過0.4mol電子的電量時，兩電極均得到0.14mol的氣體，陽極可以得到Cl₂，陰極只可以得到H₂，陽極可以產(chǎn)生Cl₂和O₂，陰極得到0.14molH₂，轉移的電子數(shù)為0.14mol×2=0.28mol，由于電路中通過0.4mol電子，則電解Cu²⁺時轉移電子數(shù)為0.4mol-0.28mol=0.12mol，陽極可以產(chǎn)生Cl₂和O₂，產(chǎn)生這兩種氣體的物質的量一共為0.14mol，轉移的電子數(shù)為0.4mol，則有關系：$\left\{\begin{array}{l}{n（C{l}_{2}）+n（{O}_{2}）=0.14mol}\\{2n（C{l}_{2}）+4n（{O}_{2}）=0.4mol}\end{array}\right.$，解得$\left\{\begin{array}{l}{n（C{l}_{2}）=0.08mol}\\{n（{O}_{2}）=0.06mol}\end{array}\right.$，產(chǎn)生0.06molO₂，H₂產(chǎn)生由水放電而來，電極反應為：2H₂O+2e^-═H₂↑+2OH^-，產(chǎn)生0.14molH₂，溶液中生成0.28molOH^-，陽極產(chǎn)生O₂由OH^-放電而來，電極反應為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O，產(chǎn)生0.06molO₂消耗0.24molOH^-，則溶液中剩余OH^-的物質的量為0.28mol-0.24mol=0.04mol，電解后溶液的體積為40L，則溶液中c（OH^-）=$\frac{0.04mol}{40L}$=0.001mol/L，則溶液中pOH=-lgc（OH^-）=3，所以溶液pH=14-pOH=11，
故答案為：11．

點評 本題綜合地考查了化學原理部分知識，包含熱化學方程式的書寫，化學平衡的移動，轉化率的判斷，電解反應式的書寫，電解原理的應用，題目難度中等，本題（4）的第②問，很有綜合性，電解混合溶液，明確溶液中的離子的放電順序，牢牢把握守恒思想是解答的關鍵，難度稍大，是易錯點和難點，平時需加強練習．