Question

甲醇是一种可再生能源，用途广泛，一种由甲醇、氧气以及强碱溶液制成的新型手机电池，容量达氢镍电池或锂电池的10倍．回答下列有关问题：
（1）工业上有一种生产甲醇的反应：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ?mol^-1
在某温度下，容积均为1L的A、B两个容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温恒容，经10秒钟后达到平衡，达到平衡时的有关数据如下表：

容器	A	B
反应物投入量	1mol CO2（g）和3mol H2（g）	1mol CH3OH（g）和1mol H2O（g）
CH3OH（g）浓度	c1	c2
反应能量变化	放出29.4kJ	吸收akJ

①从反应开始至达到平衡时，A中用CO₂来表示的平均反应速率为______．
②该温度下，反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g） 的化学平衡常数的值为______．
③a=______．
④下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是______．
A．升高温度        B．充入氢气
C．将水蒸气从体系中分离    D．用更有效的催化剂
（2）某同学设计了一个甲醇燃料电池，并用该电池电解200mL一定浓度的NaCl与CuSO₄混合溶液，其装置如图1：

①写出甲中通入甲醇一极的电极反应式______．
②图2中曲线Ⅰ、Ⅱ分别表示乙中两极所得气体的体积随时间变化的关系（气体体积已换算成标准状况下的体积），写出电解开始时铁极上的电极反应式______；
t₁后石墨电极上的电极反应式______；计算在t₂时所得溶液的pH为（忽略电解前后溶液体积的变化）______．

Answer 1

【答案】分析：（1）①先根据反应中能量变化求出参加反应的CO₂的物质的量，然后再根据v=求出CO₂的平均反应速率；
②首先计算出平衡时各物质的浓度，根据K= 计算；
③恒温恒容下，容器A与容器B为等效平衡，平衡时对应组分的物质的量、浓度相等，二者起始物质的量等于各物质的化学计量数，放出热量与吸收热量之和等于反应热数值；
④要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动；
（2）①甲醇发生氧化反应，在碱性条件下生成碳酸根与水；
②图1中原电池通入甲醇的为负极，乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu：Cu²⁺+2e^-=Cu，故图2中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，根据氧气的量计算氢氧根离子的物质的量，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，根据公式计算得出C（H⁺），从而得出溶液的pH．
解答：解：（1）①1mol二氧化碳完全反应放出49.0kJ热量，当放出29.4kJ热量时，则参加反应的n（CO₂）==0.6mol，CO₂的平均反应速率v====0.06mol/（L?S），故答案为：0.06mol/（L?S）；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始（mol/L）     1             3              0             0
转化（mol/L）   0.6           1.8          0.6          0.6
平衡（mol/L）   0.4           1.2          0.6          0.6
根据K===0.12，
故答案为：0.12；
③恒温恒容下，容器A与容器B为等效平衡，平衡时对应组分的物质的量、浓度相等，二者起始物质的量等于各物质的化学计量数，放出热量与吸收热量之和等于反应热数值，则吸收的热量=反应热-放出的热量=49.0kJ-29.4kJ=19.6kJ，
故答案为：19.6；
④要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动，
A．因正反应放热，升高温度，平衡向逆反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故A错误；
B．充入氢气，平衡向正反应方法移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，．故B正确；
C．将水蒸气从体系中分离，平衡向正反应方法移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正确；
D．用更有效的催化剂，平衡不移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）不变，故D错误．
故答案为：BC；
（2）①甲醇燃料电池中，在碱性条件下，甲醇失电子生成碳酸根与水，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②图1中乙中石墨电极为阳极、铁电极为阴极，开始Cl^-在阳极放电生成氯气，阴极Cu²⁺放电生成Cu：Cu²⁺+2e^-=Cu；故图2中Ⅰ表示阴极产生的气体，Ⅱ表示阳极产生的气体，t₁前电极反应式为：阳极2Cl^--4e^-=Cl₂↑，t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，所以在t₁后，石墨电极上的电极反应式为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；t₁～t₂电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极2Cu²⁺+4e^-=2Cu，t₂点后电极反应式为：阳极4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，阴极4H⁺+4e^-=2H₂↑，所以t₁～t₂ 阳极上生成氧气，t₁～t₂Ⅱ产生的气体体积=0.336L-0.224L=0.112L，阳极上生成112mL氧气需要n（OH^-）==0.02mol，水电离出等物质的量的氢离子和氢氧根离子，所以n（H⁺）=0.02mol，c（H⁺）==0.1mol/L，所以溶液的pH=1，
故答案为：Cu²⁺+2e^-=Cu；4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O；1．
点评：本题考查了化学平衡的有关计算、电解池原理等知识点，电解硫酸铜和氯化钠混合溶液时，明确离子的放电顺序是解本题的关键，难度较大．