Question

7．甲醇是一種重要的化工原料和新型燃料．
（1）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．圖1是上述三種溫度下H₂和CO的起始組成比（起始時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Z對應(yīng)的溫度是270℃；該溫度下上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為4；
（2）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．工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同．

I．甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O
II．乙中反應(yīng)的化學(xué)方程式為2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L．
III．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Fe²⁺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280 mL 5.0mol•L^-1 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；計算出平衡時各物質(zhì)的濃度，結(jié)合平衡常數(shù)的定義進(jìn)行計算；
（2）I．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；
II．乙中電解硫酸銅生成銅、氧氣和硫酸；工作一段時間后，斷開K，此時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)和電子守恒計算得到；
III．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應(yīng)的離子，結(jié)合轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量計算．

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Z為270℃；
由圖象可知當(dāng)270℃時，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，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=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}$=4，
故答案為：270℃；4；
（2）Ⅰ．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；
Ⅱ．乙中電解硫酸銅生成銅、氧氣和硫酸，化學(xué)方程式：
工作一段時間后，斷開K，此時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：2CuSO4+2H2O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄；
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
    4x       x
根據(jù)得失電子守恒得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A極析出的氣體是氧氣，物質(zhì)的量為0.1mol，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為2.24L，
故答案為：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；2.24L；
III．根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質(zhì)的量減小，亞鐵離子增加，故①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，
由圖可知電子轉(zhuǎn)移為0.4mol，生成Cu²⁺物質(zhì)的量為0.2mol，陰極電極反應(yīng)Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，反應(yīng)結(jié)束后，溶液中有Fe²⁺為0.5mol，Cu²⁺為0.2mol，所以需要加入NaOH溶液0.5×2+0.2×2=1.4mol，所以所需NaOH溶液的體積為$\frac{1.4}{5}$=0.28L=280mL，
故答案為：Fe²⁺；280．

點評 本題為綜合題，考查了化學(xué)平衡圖象與計算，電解池電極反應(yīng)式、方程式書寫，電化學(xué)計算，明確影響化學(xué)平衡移動的理論，熟悉電解池工作原理是解題關(guān)鍵，題目難度中等．