Question

10．CH₃OH是一種無(wú)色有刺激性氣味的液體，在生產(chǎn)生活中有重要用途，同時(shí)也是一種重要的化工原料．
Ⅰ．（1）已知CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）能量變化如圖，下列說(shuō)法正確的是CD
A．CH₃OH轉(zhuǎn)變成H₂的過(guò)程是一個(gè)吸收能量的過(guò)程
B．H₂的生成速率與CH₃OH的消耗速率之比為1：2
C．化學(xué)變化不僅有新物質(zhì)生成，同時(shí)也一定有能量變化
D．1mol H-O鍵斷裂的同時(shí)2mol C=O鍵斷裂，則反應(yīng)達(dá)最大限度
（2）某溫度下，將5mol CH₃OH和2mol O₂充入2L的密閉容器中，經(jīng)過(guò)4min反應(yīng)達(dá)到平衡，測(cè)得c（O₂）=0.2mol•L^-1，4min內(nèi)平均反應(yīng)速度v（H₂）=0.8mol•L^-1•min^-1，則CH₃OH的轉(zhuǎn)化率為64%．
Ⅱ．CH₃OH燃料電池是目前開發(fā)最成功的燃料電池之一，這種燃料電池由甲醇、空氣（氧氣）、KOH（電解質(zhì)溶液）構(gòu)成．
（3）若電解質(zhì)為25%的KOH溶液，電池放電時(shí)，電解質(zhì)溶液的堿性逐漸減弱，電池放電時(shí)正極的電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-；
（4）若電解質(zhì)溶液改為酸溶液，請(qǐng)寫出甲醇燃料電池的負(fù)極電極反應(yīng)式CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺；
（5）最近有人制造了一種燃料電池，一個(gè)電極通入空氣，另一個(gè)電極加入CH₃OH，電池的電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-離子．該電池的正極反應(yīng)式為O₂+4e^-=2O^2-．電池工作時(shí)，固體電解質(zhì)里的O^2-向CH₃OH極推動(dòng)．
（6）與鉛蓄電池相比，當(dāng)消耗相同質(zhì)量的負(fù)極活性物質(zhì)時(shí)，甲醇燃料電池的理論放電量是鉛蓄電池的19.4倍（保留一位小數(shù)）．

Answer 1

分析 （1）A、反應(yīng)物的能量高于生成物的能量，反應(yīng)是放熱的，反之是吸熱的；
B、化學(xué)反應(yīng)速率之比等于系數(shù)之比；
C、化學(xué)變化伴隨物質(zhì)變化，同時(shí)也一定有能量變化；
D、當(dāng)化學(xué)反應(yīng)得到平衡狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)達(dá)到了最大限度．
（2）根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算反應(yīng)速率，根據(jù)三行式結(jié)合轉(zhuǎn)化率等于變化量和初始量的比值計(jì)算轉(zhuǎn)化率；
（3）根據(jù)電池總反應(yīng)：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O知，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)電池反應(yīng)式判斷溶液的pH值變化；
（4）甲醇燃料電池的負(fù)極上是甲醇失電子的氧化反應(yīng)，據(jù)電解質(zhì)環(huán)境書寫電極反應(yīng)式；
（5）正極為氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，陰離子移向負(fù)極；
（6）根據(jù)負(fù)極上的反應(yīng)，消耗負(fù)極質(zhì)量減少一樣多時(shí)，轉(zhuǎn)移得電子的物質(zhì)的量即可．

解答 解：（1）A、根據(jù)圖示反應(yīng)物的能量高于生成物的能量，反應(yīng)是放熱的，故A錯(cuò)誤；
B、化學(xué)反應(yīng)速率之比等于系數(shù)之比，H₂的生成速率與CH₃OH的消耗速率之比為2：1，故B錯(cuò)誤；
C、化學(xué)變化伴隨物質(zhì)變化，同時(shí)也一定有能量變化，故C正確；
D、當(dāng)化學(xué)反應(yīng)得到平衡狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)達(dá)到了最大限度，1mol H-O鍵斷裂的同時(shí)2mol C=O鍵斷裂，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到了平衡，故D正確；
故選CD；
（2）經(jīng)過(guò)4min反應(yīng)達(dá)到平衡，測(cè)得c（O₂）=0.2mol•L^-1，氧氣的變化濃度1.0mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L．    
           CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）
初始濃度：2.5         1          0       0
變化濃度：1.6         0.8      1.6     3.2
末態(tài)濃度：0.9         0.2      1.6     3.2
4min內(nèi)平均反應(yīng)速度v（H₂）=$\frac{3.2mol/L}{4min}$=0.8mol/（L•min），CH₃OH的轉(zhuǎn)化率$\frac{1.6}{2.5}$×100%=64%，
故答案為：0.8mol•L^-1•min^-1；64%；
（3）電池總反應(yīng)：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，反應(yīng)消耗氫氧根離子，所以反應(yīng)后溶液的pH減小，堿性減弱，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，則反應(yīng)式為：O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-；故答案為：減弱；O₂+4e^-+2H₂O═4OH^-；
（4）甲醇燃料電池的負(fù)極上是甲醇失電子的氧化反應(yīng)，酸性電解質(zhì)環(huán)境下電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺；  
（5）正極為氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)式為：O₂+4e^-=2O^2-；O^2-向移向負(fù)極CH₃OH移動(dòng)，故答案為：O₂+4e^-=2O^2-；CH₃OH；
（6）根據(jù)負(fù)極上的電極反應(yīng)式：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，消耗1g甲醇，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是$\frac{3}{16}$mol，鉛蓄電池的負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)為：Pb-2e^-+SO₄^2-=PbSO₄，
消耗1gPb，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是$\frac{2}{207}$mol，所以當(dāng)消耗相同質(zhì)量的負(fù)極活性物質(zhì)時(shí)，甲醇燃料電池的理論放電量是鉛蓄電池的比值是$\frac{3}{16}$=19.4，故答案為：19.4．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)反應(yīng)速率、平衡的有關(guān)計(jì)算、原電池原理等知識(shí)，明確正負(fù)極上得失電子及反應(yīng)類型是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫．