Question

甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料．
Ⅰ．工业上一般以CO和H₂为原料在密闭容器中合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol
（1）在容积为1L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律．如图1是上述三 种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质 的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系，则曲线X对应的 温度是

 

图中a点对应的平衡常数K=

 

．
（2）某温度下，将1mol CO和3mol H₂充入1L的密闭容器中，充分反应后，达到平衡时 c（CO）=0.1mol/L．若保持温度和体积不变，将起始物质的物质的量改为a mol CO、b mol H₂，c mol CH₃OH，欲使开始时该反应向逆反应方向进行，c的取值范围是

 

．
Ⅱ．图2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．
（3）甲中负极的电极反应式为

 

，
（4）乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为

 

．．
（5）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图3，则图中②线表示的是

 

离子的变化；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 5.0moL/L NaOH 溶液．

Answer 1

分析：（1）正反应放热，则升高温度CO的转化率降低；计算出平衡时各物质的浓度，结合K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

计算；
（2）计算出平衡时CH₃OH（g）的物质的量，c大于此值平衡向逆反应进行，按化学计量数转化到左边，得到1mol CO时c的值最大，据此计算解答；
（3）通入甲醇的一极为原电池的负极，发生氧化反应，甲醇在碱性条件下被氧化生成碳酸根离子；
（4）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；A电极为阳极，溶液中的氢氧根离子失电子生成氧气；阳极电极反应和电子守恒计算得到；
（5）C电极为阳极，D电极为阴极，根据丙图可知溶液中有三种金属阳离子，而根据丙的成分可知溶液中只有两种金属阳离子，说明在电解过程中还有Cu²⁺生成，因此C电极是Cu做阳极，D电极是石墨做阴极，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确定曲线对应的离子，结合转移电子的物质的量计算．

解答：解：（1））根据该反应为放热反应，温度越高CO的转化率越小，所以曲线X为230℃，由图象可知当270℃、CO的转化率为50%时，n（H₂）：n（CO）=1.5，则
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始（mol/L） 1       1.5      0
转化（mol/L） 0.5     1        0.5
平衡（mol/L） 0.5     0.5      0.5
K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

=

0.5

0.5×0．52

=4.00，
故答案为：X；4.00；
（2）某温度下，将1mol CO和3mol H₂充入1L的密闭容器中，充分反应后，达到平衡时 c（CO）=0.1mol/L，则平衡时CH₃OH的物质的量为0.9mol/L×1L=0.9mol，所以c＞0.9mol平衡向逆反应进行，按化学计量数转化到左边，得到1mol CO时c的值最大，所以c最大为1mol．所以0.9＜c＜≤1，
故答案为：0.9＜c＜≤1；
（3）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^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）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，电极反应为：
   Cu²⁺+2e^-=Cu，
0.1mol 0.2mol
2H⁺+2e^-=H₂↑，
 2x     x
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^-=2H₂O+O₂↑，
4x           x
得到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，
故答案为：2.24L；
（5）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）计算得到电子转移为0.2mol，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，图象分析每个单位为0.05mol，阴极电极反应Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，溶液中有Fe³⁺ 0.2mol，Fe²⁺ 0.3mol，Cu²⁺为0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等体积为

1.4mol

5mol/L

=0.28L=280ml，
故答案为：Fe²⁺；280．

点评：本题综合性较大，涉及化学反应自发性判断、化学平衡常数、化学平衡影响因素、等效平衡计算以及电化学知识等，（2）注意等效思想的运用以及运用极限方法确定c的取值范围，为高考常见题型，难度较大．