Question

7．甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料．
（1）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．图1是上述三种温度下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Z对应的温度是270℃；该温度下上述反应的化学平衡常数为4；
（2）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．

I．甲中负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O
II．乙中反应的化学方程式为2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；A极析出的气体在标准状况下的体积为2.24L．
III．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Fe²⁺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280 mL 5.0mol•L^-1 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，结合平衡常数的定义进行计算；
（2）I．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；
II．乙中电解硫酸铜生成铜、氧气和硫酸；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；
III．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Z为270℃；
由图象可知当270℃时，CO的转化率为50%，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=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$=4，
故答案为：270℃；4；
（2）Ⅰ．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；
Ⅱ．乙中电解硫酸铜生成铜、氧气和硫酸，化学方程式：
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：2CuSO4+2H2O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄；
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
    4x       x
根据得失电子守恒得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A极析出的气体是氧气，物质的量为0.1mol，在标准状况下的体积为2.24L，
故答案为：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；2.24L；
III．根据转移电子的物质的量和金属阳离子的物质的量的变化，可知，铜离子从无增多，铁离子物质的量减小，亚铁离子增加，故①为Fe³⁺，②为Fe²⁺，③为Cu²⁺，
由图可知电子转移为0.4mol，生成Cu²⁺物质的量为0.2mol，阴极电极反应Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，反应结束后，溶液中有Fe²⁺为0.5mol，Cu²⁺为0.2mol，所以需要加入NaOH溶液0.5×2+0.2×2=1.4mol，所以所需NaOH溶液的体积为$\frac{1.4}{5}$=0.28L=280mL，
故答案为：Fe²⁺；280．

点评 本题为综合题，考查了化学平衡图象与计算，电解池电极反应式、方程式书写，电化学计算，明确影响化学平衡移动的理论，熟悉电解池工作原理是解题关键，题目难度中等．