Question

【题目】甲醇是重要的化工原料及能源物质。

(1)利用CO2和H2在催化剂的作用下合成甲醇，发生的主要反应如下:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)　ΔH2=-58 kJ·mol-1，在某温度时，将1. 0 mol CO 与2. 0 mol H2充入2 L的空钢瓶中，发生上述反应，在第5 min 时达到化学平衡状态，此时甲醇的物质的量分数为10%。甲醇浓度的变化状况如图所示:

①从反应开始到5 min 时，生成甲醇的平均速率为________，5 min 时与起始时容器的压强比为______。

②5 min 时达到平衡，H2的平衡转化率α=______%，化学平衡常数K=______。

③1 min 时的v(正)(CH3OH)________4 min时v(逆)(CH3OH ) (填“大于”“小于”或“等于”)。

④若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶，重复上述实验，平衡时甲醇的物质的量分数________10%(填“>”“<”或“=”)。

(2)下图是甲醇燃料电池工作的示意图，其中A、B、D均为石墨电极，C为铜电极。工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同。

①甲中负极的电极反应式为______________________。

②乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为________。

③丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如下图，则图中②线表示的是____的变化；反应结束后，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要____ mL 5. 0 mol·L-1 NaOH溶液。

Answer 1

【答案】0.025 mol·L-1·min-1 5:6 25 0.59 大于 < CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O 2.24 L Fe2+ 280

【解析】

（1）根据题目数据计算如下：

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始：0.5 1 0

反应：x 2x x

平衡：0.5-x 1-2xx

甲醇的物质的量分数为10%，所以x/(0.5-x+1-2x+x)×100%=10%，x=0.125mol/L；

①从反应开始到5 min 时，生成甲醇的平均速率为0.125/5=0.025mol/(L·min)；压强之比和气体的物质的量成正比，因此，5 min 时与起始时容器的压强比为：（0.5-0.125+1-2×0.125+0.125）×2：（1+2）=5:6 ；综上所述，本题答案是：5:6。

②5 min 时达到平衡，H2的平衡转化率α=2×0.125/1×100%=25%；达平衡时CO、H2和CH3OH的物质的量浓度分别为：0.375mol/L、0.75mol/L和0.125mol/L，所以平衡常数K＝0.125/0.375×0.752＝0.59；综上所述，本题答案是：25，0.59。

③反应达平衡的速率图像如下图：

所以，在达平衡前任意点的正反应速率大于任意点的逆反应速率，即1min时的v正(CH3OH)＞4min时v逆(CH3OH )；综上所述，本题答案是：大于。

④若将钢瓶换成同容积的绝热钢瓶，重复上述实验，则反应放出的热量不能散发，会使体系温度上升，正反应放热，温度升高，平衡逆向移动，甲醇体积分数将减小，所以小于0.1；综上所述，本题答案是：<。

(2)①甲醇燃料电池是原电池反应，甲醇在负极失电子发生氧化反应，电极反应为：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O；综上所述，本题答案是：CH3OH-6e-+8OH-=CO32—+6H2O。

②工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同，分析电极反应，B为阴极，溶液中铜离子析出，氢离子得到电子生成氢气，设生成气体物质的量为x，溶液中铜离子物质的量为0.1mol，发生两步电极反应为：①Cu2++2e﹣═Cu，0.1mol Cu2+参加反应转移电子0.2 mol；②2H++2e-=H2↑，生成氢气为x mol，则转移电子2x mol；A电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气，电极反应为：4OH--4e﹣= O2↑+2H2O，生成氧气为x mol，转移电子为4x mol；根据电子得失守恒规律：0.2+2x=4x，x=0.1mol，乙中A极析出的气体是氧气物质的量为0.1mol，在标准状况下的体积为2.24L；综上所述，本题答案是：2.24L。

③根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化，可知，铜离子从无到增多，铁离子物质的量减小，亚铁离子增加，①为Fe3+，②为Fe2+，③为Cu2+，依据②可知：当电子转移为0.2mol时，丙中阳极电极反应Cu-2e-Cu2+，生成Cu2+物质的量为0.1mol；阴极电极反应Fe3++e-Fe2+，溶液中有Fe3+为0.2mol，生成Fe2+为0.2mol，根据图像可知，溶液中共有Fe2+为0.3mol；所以根据溶液中：Cu2+为0.1mol，Fe2+为0.3mol，Fe3+为0.2mol可知，需要加入NaOH的量为1.4mol，所以NaOH溶液等体积为:1.4 mol÷5.0 moL/L =0.28L=280mL。综上所述，本题答案是：Fe2+，280。