Question

甲醇是一種重要的化工原料和新型燃料．
Ⅰ．工業(yè)上一般以CO和H₂為原料在密閉容器中合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol
（1）在容積為1L的恒容容器中，分別研究在230℃、250℃和270℃三種溫度下合成甲醇的規(guī)律．如圖1是上述三 種溫度下不同的H₂和CO的起始組成比（起始時(shí)CO的物質(zhì) 的量均為1mol）與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系，則曲線X對(duì)應(yīng)的 溫度是

 

圖中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

．
（2）某溫度下，將1mol CO和3mol H₂充入1L的密閉容器中，充分反應(yīng)后，達(dá)到平衡時(shí) c（CO）=0.1mol/L．若保持溫度和體積不變，將起始物質(zhì)的物質(zhì)的量改為a mol CO、b mol H₂，c mol CH₃OH，欲使開始時(shí)該反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，c的取值范圍是

 

．
Ⅱ．圖2是甲醇燃料電池工作的示意圖，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極．工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A，B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同．
（3）甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式為

 

，
（4）乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為

 

．．
（5）丙裝置溶液中金屬陽離子的物質(zhì)的量與轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量變化關(guān)系如圖3，則圖中②線表示的是

 

離子的變化；反應(yīng)結(jié)束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，需要

 

 mL 5.0moL/L NaOH 溶液．

Answer 1

分析：（1）正反應(yīng)放熱，則升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低；計(jì)算出平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，結(jié)合K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

計(jì)算；
（2）計(jì)算出平衡時(shí)CH₃OH（g）的物質(zhì)的量，c大于此值平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，得到1mol CO時(shí)c的值最大，據(jù)此計(jì)算解答；
（3）通入甲醇的一極為原電池的負(fù)極，發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在堿性條件下被氧化生成碳酸根離子；
（4）工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，分析電極反應(yīng)，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣；A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣；陽極電極反應(yīng)和電子守恒計(jì)算得到；
（5）C電極為陽極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽離子，說明在電解過程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽極，D電極是石墨做陰極，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化確定曲線對(duì)應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計(jì)算．

解答：解：（1））根據(jù)該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，所以曲線X為230℃，由圖象可知當(dāng)270℃、CO的轉(zhuǎn)化率為50%時(shí)，n（H₂）：n（CO）=1.5，則
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始（mol/L） 1       1.5      0
轉(zhuǎn)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，
故答案為：X；4.00；
（2）某溫度下，將1mol CO和3mol H₂充入1L的密閉容器中，充分反應(yīng)后，達(dá)到平衡時(shí) c（CO）=0.1mol/L，則平衡時(shí)CH₃OH的物質(zhì)的量為0.9mol/L×1L=0.9mol，所以c＞0.9mol平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，按化學(xué)計(jì)量數(shù)轉(zhuǎn)化到左邊，得到1mol CO時(shí)c的值最大，所以c最大為1mol．所以0.9＜c＜≤1，
故答案為：0.9＜c＜≤1；
（3）甲醇燃料電池是原電池反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）工作一段時(shí)間后，斷開K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同，分析電極反應(yīng)，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣，設(shè)生成氣體物質(zhì)的量為X，溶液中銅離子物質(zhì)的量為0.1mol，電極反應(yīng)為：
   Cu²⁺+2e^-=Cu，
0.1mol 0.2mol
2H⁺+2e^-=H₂↑，
 2x     x
A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應(yīng)為：
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
4x           x
得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A極析出的氣體是氧氣物質(zhì)的量為0.1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L，
故答案為：2.24L；
（5）根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，
依據(jù)（2）計(jì)算得到電子轉(zhuǎn)移為0.2mol，當(dāng)電子轉(zhuǎn)移為0.2mol時(shí)，丙中陽極電極反應(yīng)Cu-2e-=Cu²⁺，生成Cu²⁺物質(zhì)的量為0.1mol，圖象分析每個(gè)單位為0.05mol，陰極電極反應(yīng)Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，溶液中有Fe³⁺ 0.2mol，F(xiàn)e²⁺ 0.3mol，Cu²⁺為0.1mol，所以需要加入NaOH溶液1.4mol，所以NaOH溶液等體積為

1.4mol

5mol/L

=0.28L=280ml，
故答案為：Fe²⁺；280．

點(diǎn)評(píng)：本題綜合性較大，涉及化學(xué)反應(yīng)自發(fā)性判斷、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素、等效平衡計(jì)算以及電化學(xué)知識(shí)等，（2）注意等效思想的運(yùn)用以及運(yùn)用極限方法確定c的取值范圍，為高考常見題型，難度較大．