Question

近年來(lái)，各國(guó)加速推進(jìn)燃料電池的研發(fā)．燃料電池的燃料有氫氣、甲醇等．
（1）通過(guò)下列硫--碘循環(huán)工藝可制得燃料電池的燃料氫氣：

①該循環(huán)工藝過(guò)程的總反應(yīng)方程式為

 

．
②用化學(xué)平衡移動(dòng)的原理分析，在HI分解反應(yīng)中使用膜反應(yīng)器分離出H₂的目的是

 

（2）二氧化碳是地球溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)�，目前人們處理二氧化碳的方法之一是使其與氫氣反應(yīng)合成甲醇．已知?dú)錃�、甲醇燃燒的熱化學(xué)方程式如下：
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）；△H=-283.0kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（1）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（1）；△H=-726.0kJ?mol^-1…②
寫(xiě)出二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學(xué)方程式

 

．
（3）甲醇--空氣燃料電池是利用稀土金屬氧化物作為固體電解質(zhì)，這種稀土金屬氧化物在高溫下能傳導(dǎo)O^2-．
①負(fù)極發(fā)生的反應(yīng)是

 

②在稀土金屬氧化物的固體電解質(zhì)中，O^2-．的移動(dòng)方向是

 

．
（4）已知反應(yīng)2CH30H?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數(shù)為400．此    溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol?L-1）	0.44	0.6	0.6

①比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大小v_正

 

v_逆 （填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，經(jīng)10min反應(yīng)達(dá)到平衡，該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率v（CH₃0H）=

 

．

Answer 1

分析：（1）①寫(xiě)出該流程中的各反應(yīng)方程式，然后寫(xiě)出總的反應(yīng)方程式即可；
②根據(jù)平衡移動(dòng)的原理進(jìn)行分析；
（2）依據(jù)蓋斯定律和熱化學(xué)方程式計(jì)算得到二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學(xué)方程式；
（3）①燃料電池中依據(jù)原電池工作原理，正極是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)是固體，氧氣得到電子生成氧離子；甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳；
②根據(jù)原電池中陰離子移向負(fù)極進(jìn)行判斷；
（3）①將各物質(zhì)的濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式，將計(jì)算結(jié)果與平衡常數(shù)進(jìn)行比較，從而判斷平衡移動(dòng)方向；
②設(shè)出達(dá)到平衡時(shí)甲醚的物質(zhì)的量濃度，然后利用平衡常數(shù)計(jì)算出達(dá)到平衡時(shí)甲醚的濃度，再計(jì)算出10min內(nèi)的反應(yīng)速率v（CH₃0H）．

解答：解：①在反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)：SO₂+I₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，2H₂SO₄=2SO₂+2H₂O+O₂，在膜反應(yīng)器中的反應(yīng)為：2HI?I₂+H₂，根據(jù)以上反應(yīng)方程式可得：2H₂O=O₂+2H₂，
故答案為：2H₂O=O₂+2H₂；
②在膜分離器中發(fā)生反應(yīng)：2HI?I₂+H₂，將H₂分離出來(lái)有利于平衡向右移動(dòng)，利于I₂和H₂的生成，
故答案為：有利于平衡向右移動(dòng)，有利于碘和氫氣的生成；
（2）2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）；△H=-283.0kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0kJ?mol^-1 ②
依據(jù)蓋斯定律①×3-②得到：2CO₂ （g）+6H₂ （g）=2CH₃OH（l）+2H₂O （l）△H=-123kJ?mol^-1；
熱化學(xué)方程式為：CO₂ （g）+H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ?mol^-1；
故答案為：CO₂ （g）+H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ?mol^-1；
（3）①甲醇一空氣燃料電池中氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氧離子，電極反應(yīng)為：O₂+4e^-=2O^2-； 甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O；
故答案為：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O；
②依據(jù)電極反應(yīng)分析可知原電池中陰離子移向負(fù)極，氧離子從正極流向負(fù)極移動(dòng)，
故答案為：從正極流向負(fù)極；
）①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=

c(CH3OCH3)?c(H2O)

c2(CH3OH)

，將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式：

0.6×0.6

0.442

=1.86＜400，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，
故答案為：＞；
②設(shè)達(dá)到平衡時(shí)甲醚的物質(zhì)的量濃度為x，
                  2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某時(shí)刻濃度（mol?L^-1）：0.44           0.6     0.6
轉(zhuǎn)化濃度（mol?L^-1）：2x            x        x  
平衡濃度（mol?L^-1）：0.44-2x         0.6+x   0.6+x
將各組分濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式可得：K=

(0.6+x)2

(0.44-2x)2

=400，解得 x=0.2mol/L，
達(dá)到平衡時(shí)甲醚的濃度為：0.8mol/L，則10min轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量濃度為：c（CH₃OH）=2c（CH₃OCH₃）=1.6mol/L，
所以甲醇的反應(yīng)速率為v（CH₃OH）=

1.6mol/L

10min

=0.16 mol/（L?min），
故答案為：0.16 mol/（L?min）．

點(diǎn)評(píng)：本題考查較為綜合，題量較大，題目難度中等，注意“始、轉(zhuǎn)、平”是解決有關(guān)化學(xué)平衡的“三段論”解題法，當(dāng)三組量一旦確定，可以解答有關(guān)平衡時(shí)的平衡常數(shù)計(jì)算、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、平衡時(shí)成分的體積分?jǐn)?shù)等．