Question

6．清洁能源具有广阔的开发和应用前景，可减少污染解决雾霾问题，其中甲醇、甲烷是优质的清洁燃料，可制作燃料电池．
Ⅰ、一定条件下用CO和H₂合成CH₃OH：CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-105kJ•mol^-1．向体积为2L的密闭容器中充入2mol CO和4mol H₂，测得不同温度下容器内的压强（P：kPa）随时间（min）的变化关系如图1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲线所示：

（1）Ⅱ和Ⅰ相比，改变的反应条件是Ⅱ中使用催化剂．
（2）反应Ⅰ在6min时达到平衡，在此条件下从反应开始到达到平衡时v（CH₃OH）=0.125 mol/（L．min）．
（3）反应Ⅱ在2min时达到平衡，平衡常数K（Ⅱ）=12．
（4）比较反应Ⅰ的温度（T₁）和反应Ⅲ的温度（T₃）的高低：T₁＞T₃（填“＞”“＜”“=”），判断的理由是此反应为放热反应，降低温度，反应速率减慢，平衡向正反应方向移动．
Ⅱ、甲烷和甲醇可以做燃料电池，具有广阔的开发和应用前景，回答下列问题
（5）甲醇燃料电池（简称DMFC）由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注．DMFC工作原理如图2所示：通入a气体的电极是原电池的负极（填
“正”或“负”），其电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
（6）某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图3所示U形管中氯化钠溶液的体积为800ml．闭合K后，若每个电池甲烷用量均为0.224L（标况），且反应完全，则理论上通过电解池的电量为7.72×10³C（法拉第常数F=9.65×10⁴C/mol），若产生的气体全部逸出，电解后溶液混合均匀，电解后U形管中溶液的pH为13．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）Ⅱ和Ⅰ相比反应速率加快，不影响平衡移动，正反应为气体物质的量减小的反应，应是使用催化剂；
（2）恒温恒容下，压强之比等于气体物质的量之比，故平衡时混合气体总物质的量为（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，则：
           CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物质的量减小△n=2
起始量（mol）：2      4          0 
变化量（mol）：1.5    3          1.5                                   6-3=3
平衡量（mol）：0.5    1          1.5
再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH）；
（3）Ⅱ、Ⅰ温度相同，平衡常数相同，根据K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$计算平衡常数；
（4）反应Ⅲ达平衡时所用的时间比反应Ⅰ达平衡时所用的时间长，化学反应速率快，且Ⅲ平衡时压强比I小，与I相比平衡正向移动，正反应为气体体积减小放热反应，应降低温度；
Ⅱ、（5）根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应；
（6）电解氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知关系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH计算．

解答 解：Ⅰ．（1）Ⅱ和Ⅰ相比反应速率加快，不影响平衡移动，正反应为气体物质的量减小的反应，应是使用催化剂，
故答案为：Ⅱ中使用催化剂；
（2）恒温恒容下，压强之比等于气体物质的量之比，故平衡时混合气体总物质的量为（2+4）mol×$\frac{1.0aKpa}{2.0akPa}$=3mol，则：
            CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物质的量减小△n=2
起始量（mol）：2       4           0
变化量（mol）：1.5     3          1.5            6-3=3
平衡量（mol）：0.5     1           1.5
则v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{6min}$=0.125 mol/（L．min），
故答案为：0.125 mol/（L．min）；
（3）Ⅱ、Ⅰ温度相同，平衡常数相同，平衡常数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，
故答案为：12；
（4）反应Ⅲ达平衡时所用的时间比反应Ⅰ达平衡时所用的时间长，化学反应速率快，且Ⅲ平衡时压强比I小，与I相比平衡正向移动，正反应为气体体积减小放热反应，应降低温度，故温度T₁温度更高，
故答案为：＞；此反应为放热反应，降低温度，反应速率减慢，平衡向正反应方向移动；
Ⅱ、（5）根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应，负极反应式为 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：负；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
（6）电解氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知关系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH，故若每个电池甲烷通入量为0.224L（标准状况），生成0.08molNaOH，c（NaOH）=$\frac{0.08mol}{0.8L}$=0.1mol/L，pH=13；电解池通过的电量为$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（题中虽然有两个燃料电池，但电子的传递量只能用一个池的甲烷量计算），
故答案为：7.72×10³C；13．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、反应速率与平衡常数及电极判断与电极反应式书写等问题，题目难度中等，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握三段式在化学计算中的应用，试题培养了学生的化学计算能力．