Question

甲醇是一種重要的化工原料和新型燃料．
Ⅰ．以CO₂為碳源制取低碳有機(jī)物一直是化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，CO₂加氫制取低碳醇的反應(yīng)如下：
反應(yīng)I：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol
反應(yīng)II：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=-173.6kJ/mol
寫出由CH₃OH（g）合成CH₃CH₂OH（g）的反應(yīng)的熱化學(xué)方程式

 

．
Ⅱ．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Z對(duì)應(yīng)的溫度是

 

；該溫度下上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式為

 

；若增大H₂的用量，上述反應(yīng)的熱效應(yīng)最大值為

 

kJ．

Ⅲ．如圖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(kāi)K，此時(shí)A、B兩極上產(chǎn)生的氣體體積相同．
（1）甲中負(fù)極的電極反應(yīng)式為

 

．
（2）乙中A極析出的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積為

 

．
（3）丙裝置溶液中金屬陽(yáng)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

 

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

 

 mL 5.0mol?L^-1 NaOH溶液．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡的影響因素

專題：

分析：Ⅰ、依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
Ⅱ、正反應(yīng)放熱，則升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率降低；利用平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度和化學(xué)方程式，書(shū)寫平衡常數(shù)的表達(dá)式K=

c(CH3OH)

c(CO)c2(H2)

；反應(yīng)焓變與溫度和反應(yīng)物生成物能量有關(guān)，與物質(zhì)濃度無(wú)關(guān)，若增大H₂的用量，上述反應(yīng)的熱效應(yīng)最大值為對(duì)應(yīng)反應(yīng)的焓變；
Ⅲ、（1）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；
（2）工作一段時(shí)間后，斷開(kāi)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(yáng)極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣；陽(yáng)極電極反應(yīng)和電子守恒計(jì)算得到；
（3）C電極為陽(yáng)極，D電極為陰極，根據(jù)丙圖可知溶液中有三種金屬陽(yáng)離子，而根據(jù)丙的成分可知溶液中只有兩種金屬陽(yáng)離子，說(shuō)明在電解過(guò)程中還有Cu²⁺生成，因此C電極是Cu做陽(yáng)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(yáng)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：Ⅰ、已知：反應(yīng)I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0 kJ?mol^-1
反應(yīng)II：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=-173.6kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律Ⅱ-I×2得：2CH₃OH（g）=CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）；△H=-75.6 kJ?mol^-1；
故答案為：2CH₃OH（g）=CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-75.6 kJ?mol^-1；
Ⅱ、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℃，由圖象可知曲線Z為270℃，反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=

c(CH3OH)

c(CO)c2(H2)

；反應(yīng)焓變與起始量和平衡量有關(guān)，與變化過(guò)程無(wú)關(guān)，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1
所以若增大H₂的用量，上述反應(yīng)的熱效應(yīng)最大值為90.8KJ；
故答案為：270℃；

c(CH3OH)

c(CO)c2(H2)

；90.8；
Ⅲ、（1）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；
（2）工作一段時(shí)間后，斷開(kāi)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(yáng)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；
（3）根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量和金屬陽(yáng)離子的物質(zhì)的量的變化，可知，銅離子從無(wú)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(yáng)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，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(jiàn)題型，難度較大．