Question

科學家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應生成甲醇和水，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．如圖中甲池是一個甲醇燃料電池工作時的示意圖．乙池中的兩個電極均為石墨電極，乙池中盛有100mL 3.00mol．L^-1的CuSO₄溶液．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1．請回答下列問題：
（1）N的電極反應式為

 

；
（2）在此過程中，乙池中某一電極析出金屬銅6.4g時，甲池中理論上消耗氧氣為多少

 

L；
（3）在此過程中，若乙池中兩電極產生的氣體恰好相等時（假設標準狀況下），理論上需通入

 

g甲醇；
（4）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式為_

 

；
（5）在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質溶液為堿性，負極的反應式為

 

，總反應式

 

；
（6）在350℃時，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容器中，充分反應生成甲醇蒸汽和水蒸氣達到平衡后，若CO₂轉化率為a，則容器內的壓強與起始壓強之比為

 

；若350℃時，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒壓器中，充分反應達到平衡后，若CO₂轉化率為b，則a

 

b（用“＞、=、＜”表示）．

Answer 1

考點：化學電源新型電池,電解原理

專題：電化學專題

分析：（1）燃料電池的正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應，負極上是燃料失電子的還原反應，電解池中，和電源的正極相連的是陽極，該極上發(fā)生氧化反應，和電源的負極相連的是陰極，該極上發(fā)生得電子的還原反應；
（2）根據電極反應式結合電子守恒來計算；
（3）根據電極反應式結合電子守恒來計算；
（4）根據H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1，結合熱化學方程式的意義來回答；
（5）氫氧燃料電池中，乙醇從負極通入，在反應中失電子被氧化，堿性條件下生成碳酸根離子和水，燃料電池的總反應是燃料燃燒的化學方程式；
（6）根據化學平衡的三段法計算平衡時各物質的物質的量，再利用反應前后氣體的物質的量之比等于壓強之比來計算壓強之比；根據壓強對平衡移動的影響來確定平衡的移動方向．

解答： 解：（1）燃料電池的正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應，電解池中，和電源的正極相連的是陽極，該極上發(fā)生氧化反應，所以N是陽極，該極上電極反應為：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，故答案為：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺；
（2）乙池中M電極析出金屬銅6.4g，根據電極反應：Cu²⁺+2e^-=Cu，析出金屬銅6.4g即0.1mol，轉移電子的物質的量是0.2mol，在燃料電池的正極上發(fā)生電極反應：
O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，當轉移電子的物質的量是0.2mol時，消耗氧氣的物質的量是0.05mol，體積是0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12；
（3）乙池中發(fā)生的反應分別是：陽極上：4OH^-=O₂↑+2H₂O+4e^-，陽極上Cu²⁺+2e^-=Cu，2H⁺+2e^-=H₂↑，100mL3.00mol?L^-1的CuSO₄溶液中銅離子物質的量是：0.3mol，銅離子得電子的是0.6mol，若兩電極產生的氣體恰好相等時（假設標準狀況下），設均為nmol，則2n+0.6=4n，解得n=0.3，即裝置在轉移電子的物質的量是1.2mol，甲醇燃料電池的負極上發(fā)生反應：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，當轉移電子是1.2mol，消耗甲醇的物質的量是0.2mol，質量是0.2mol×32g/mol=6.4g，
故答案為：6.4；
（4）已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1，即：
①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂0（l）；△H=-572kJ?mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-560.0kJ?mol^-1
③2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-1472kJ?mol^-1
根據蓋斯定律，則CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）是反應③×

1

2

-②×

1

2

得到，所以反應的△H=-456 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-456 kJ?mol^-1                     
（5）在甲醇燃料電池的負極上是甲醇失電子的氧化反應，在堿性電解質下，電極反應為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，總反應是甲醇燃燒的方程式，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
（6）由化學平衡的三段模式法計算可知，
CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始  1        3       0        0
變化  a        3 a      a        a
平衡 1-a       3-3a     a        a
根據相同條件下氣體的壓強之比等于物質的量之比，
則容器內的壓強與起始壓強之比為

1-a+3-3a+a+a

1+3

=

2-a

2

，若350℃時，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒壓器中，由于反應中氣體的物質的量
是減小的，所以恒壓相當于在恒容的基礎上加大壓強，平衡會正向移動，CO₂轉化率會增大，即a＜b．
故答案為：

2-a

2

；＜．

點評：本題綜合考查學生熱化學方程式的書寫、電解池和燃料電池的工作原理、化學平衡的影響因素和計算等知識，屬于綜合知識的考查，難度中等．