(2012?天津模擬)甲醇是一種可再生能源,用途廣泛,一種由甲醇、氧氣以及強堿溶液制成的新型手機電池,容量達氫鎳電池或鋰電池的10倍.回答下列有關問題:
(1)工業(yè)上有一種生產(chǎn)甲醇的反應:
CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.0kJ?mol-1
在某溫度下,容積均為1L的A、B兩個容器中,按不同方式投入反應物,保持恒溫恒容,經(jīng)10秒鐘后達到平衡,達到平衡時的有關數(shù)據(jù)如下表:
容器 A B
反應物投入量 1mol CO2(g)和3mol H2(g) 1mol CH3OH(g)和1mol H2O(g)
CH3OH(g)濃度(mol?L-1 c1 c2
反應能量變化 放出29.4kJ 吸收akJ
①從反應開始至達到平衡時,A中用CO2來表示的平均反應速率為
0.06mol/(L?S)
0.06mol/(L?S)

②該溫度下,反應CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g) 的化學平衡常數(shù)的值為
0.12
0.12

③a=
19.6
19.6

④下列措施中能使n(CH3OH)/n(CO2)增大的是
BC
BC

A.升高溫度        B.充入氫氣
C.將水蒸氣從體系中分離    D.用更有效的催化劑
(2)某同學設計了一個甲醇燃料電池,并用該電池電解200mL一定濃度的NaCl與CuSO4混合溶液,其裝置如圖1:

①寫出甲中通入甲醇一極的電極反應式
CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O
CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

②圖2中曲線Ⅰ、Ⅱ分別表示乙中兩極所得氣體的體積隨時間變化的關系(氣體體積已換算成標準狀況下的體積),寫出電解開始時鐵極上的電極反應式
Cu2++2e-=Cu
Cu2++2e-=Cu

t1后石墨電極上的電極反應式
4OH--4e-=O2↑+2H2O
4OH--4e-=O2↑+2H2O
;計算在t2時所得溶液的pH為(忽略電解前后溶液體積的變化)
1
1
分析:(1)①先根據(jù)反應中能量變化求出參加反應的CO2的物質(zhì)的量,然后再根據(jù)v=
△c
△t
求出CO2的平均反應速率;
②首先計算出平衡時各物質(zhì)的濃度,根據(jù)K=
c(CH3OH)?c(H20)
c(CO2)?c3(H2)
計算;
③恒溫恒容下,容器A與容器B為等效平衡,平衡時對應組分的物質(zhì)的量、濃度相等,二者起始物質(zhì)的量等于各物質(zhì)的化學計量數(shù),放出熱量與吸收熱量之和等于反應熱數(shù)值;
④要使n(CH3OH)/n(CO2)增大,應使平衡向正反應方向移動;
(2)①甲醇發(fā)生氧化反應,在堿性條件下生成碳酸根與水;
②圖1中原電池通入甲醇的為負極,乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極,開始Cl-在陽極放電生成氯氣,陰極Cu2+放電生成Cu:Cu2++2e-=Cu,故圖2中Ⅰ表示陰極產(chǎn)生的氣體,Ⅱ表示陽極產(chǎn)生的氣體,t1前電極反應式為:陽極2Cl--4e-=Cl2↑,陰極2Cu2++4e-=2Cu,t1~t2電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,陰極2Cu2++4e-=2Cu,t2點后電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,陰極4H++4e-=2H2↑,所以t1~t2 陽極上生成氧氣,根據(jù)氧氣的量計算氫氧根離子的物質(zhì)的量,水電離出等物質(zhì)的量的氫離子和氫氧根離子,根據(jù)公式計算得出C(H+),從而得出溶液的pH.
解答:解:(1)①1mol二氧化碳完全反應放出49.0kJ熱量,當放出29.4kJ熱量時,則參加反應的n(CO2)=
29.4kJ×1mol
49.0kJ
=0.6mol,CO2的平均反應速率v=
△c
△t
=
△n
V
△t
=
0.6mol
1L
10S
=0.06mol/(L?S),故答案為:0.06mol/(L?S);
②CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)
初始(mol/L)     1             3              0             0
轉(zhuǎn)化(mol/L)   0.6           1.8          0.6          0.6
平衡(mol/L)   0.4           1.2          0.6          0.6
根據(jù)K=
c(CH3OH)?c(H20)
c(CO2)?c3(H2)
=
 0.6 × 0.6 
0.4×1.23
=0.12,
故答案為:0.12;
③恒溫恒容下,容器A與容器B為等效平衡,平衡時對應組分的物質(zhì)的量、濃度相等,二者起始物質(zhì)的量等于各物質(zhì)的化學計量數(shù),放出熱量與吸收熱量之和等于反應熱數(shù)值,則吸收的熱量=反應熱-放出的熱量=49.0kJ-29.4kJ=19.6kJ,
故答案為:19.6;
④要使n(CH3OH)/n(CO2)增大,應使平衡向正反應方向移動,
A.因正反應放熱,升高溫度,平衡向逆反應方向移動,則n(CH3OH)/n(CO2)減小,故A錯誤;
B.充入氫氣,平衡向正反應方法移動,n(CH3OH)/n(CO2)增大,.故B正確;
C.將水蒸氣從體系中分離,平衡向正反應方法移動,n(CH3OH)/n(CO2)增大,故C正確;
D.用更有效的催化劑,平衡不移動,則n(CH3OH)/n(CO2)不變,故D錯誤.
故答案為:BC;
(2)①甲醇燃料電池中,在堿性條件下,甲醇失電子生成碳酸根與水,電極反應式為:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O,故答案為:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O;
②圖1中乙中石墨電極為陽極、鐵電極為陰極,開始Cl-在陽極放電生成氯氣,陰極Cu2+放電生成Cu:Cu2++2e-=Cu;故圖2中Ⅰ表示陰極產(chǎn)生的氣體,Ⅱ表示陽極產(chǎn)生的氣體,t1前電極反應式為:陽極2Cl--4e-=Cl2↑,t1~t2電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,t2點后電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,所以在t1后,石墨電極上的電極反應式為4OH--4e-=O2↑+2H2O;t1~t2電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,陰極2Cu2++4e-=2Cu,t2點后電極反應式為:陽極4OH--4e-=O2↑+2H2O,陰極4H++4e-=2H2↑,所以t1~t2 陽極上生成氧氣,t1~t2Ⅱ產(chǎn)生的氣體體積=0.336L-0.224L=0.112L,陽極上生成112mL氧氣需要n(OH-)=
0.112L×4mol
22.4L
=0.02mol,水電離出等物質(zhì)的量的氫離子和氫氧根離子,所以n(H+)=0.02mol,c(H+)=
0.02mol
0.2L
=0.1mol/L,所以溶液的pH=1,
故答案為:Cu2++2e-=Cu;4OH--4e-=O2↑+2H2O;1.
點評:本題考查了化學平衡的有關計算、電解池原理等知識點,電解硫酸銅和氯化鈉混合溶液時,明確離子的放電順序是解本題的關鍵,難度較大.
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