Question

4．開發(fā)新能源是解決環(huán)境污染的重要舉措，其中甲醇、甲烷是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，可制作燃料電池．            
（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1274.0kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44kJ/mol．
甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442KJ/mol．
（2）生產(chǎn)甲醇的原料CO和H₂可由反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H＞0得到．
①一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖甲．則P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”，下同）．A、B、C三點(diǎn)處對應(yīng)平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小順序?yàn)镵_A＜K_B＜K_C．

②100°C時(shí)，將1molCH4和2molH₂O通入容積為1L的定容密閉容器中發(fā)生反應(yīng)，能說明該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是ac（填序號）．
a．容器的壓強(qiáng)恒定   b．容器內(nèi)氣體密度恒定
c．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂）   d．單位時(shí)間內(nèi)消耗0.1molCH₄同時(shí)生成0.3molH₂
（3）甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)化率高、對環(huán)境無污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關(guān)注．DMFC工作原理如圖乙所示：通入a氣體的電極是原電池的負(fù)極（填“正”“負(fù)”），其電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
（4）某研究小組將兩個(gè)甲烷燃料電池串聯(lián)后作為電源，進(jìn)行飽和氯化鈉溶液電解實(shí)驗(yàn)，如圖丙所示U形管中氯化鈉溶液的體積為800ml．閉合K后，若每個(gè)電池甲烷用量均為0.224L（標(biāo)況），且反應(yīng)完全，則理論上通過電解池的電量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（列式計(jì)算．法拉第常數(shù)F=9.65×10⁴C/mol），若產(chǎn)生的氣體全部逸出，電解后溶液混合均勻，電解后U形管中溶液的pH為13．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)熱化學(xué)方程式利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱并書寫熱化學(xué)方程式，已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1274.0kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44kJ/mol．
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算（①-②+③×4）×$\frac{1}{2}$得到甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式；
（2）①在200℃時(shí)，看不同壓強(qiáng)下CO的轉(zhuǎn)化率大小，結(jié)合化學(xué)方程式中反應(yīng)前后氣體的體積變化解答；正反應(yīng)吸熱，隨溫度升高，平衡正向移動，化學(xué)平衡常數(shù)K增大；
②可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等各組分濃度保持不變；
（3）根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
（4）電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關(guān)系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH計(jì)算．

解答 解：（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1274.0kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44kJ/mol．
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算（①-②+③×4）×$\frac{1}{2}$得到甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442KJ/mol，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442KJ/mol；
（2）①在圖a的200℃位置，平行與縱軸畫一條虛線，可見CH₄的轉(zhuǎn)化率P₁＞P₂，在CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）反應(yīng)中，生成物的氣體體積大于反應(yīng)物，壓強(qiáng)增大時(shí)平衡向逆向移動，故P₁＜P₂，正反應(yīng)吸熱，隨溫度升高，平衡正向移動，化學(xué)平衡常數(shù)K增大，所以K_A＜K_B＜K_C，
故答案為：＜；K_A＜K_B＜K_C；
②可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等各組分濃度保持不變，
a．反應(yīng)前后氣體體積不同，所以容器的壓強(qiáng)恒定時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故a正確；
b．容器體積不變，氣體質(zhì)量不變，所以容器內(nèi)氣體密度始終恒定，故b錯(cuò)誤；
c．3v正（CH₄）=v逆（H₂），說明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．單位時(shí)間內(nèi)消耗0.1molCH₄同時(shí)生成0.3molH₂，都是正反應(yīng)速率，不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故d錯(cuò)誤；
故答案為：ac；
（3）根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負(fù)；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
（4）電解氯化鈉溶液的化學(xué)方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關(guān)系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH，故若每個(gè)電池甲烷通入量為0.224L（標(biāo)準(zhǔn)狀況），生成0.08molNaOH，c（NaOH）=$\frac{0.08mol}{0.8L}$=0.1mol/L，pH=13；電解池通過的電量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（題中雖然有兩個(gè)燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個(gè)池的甲烷量計(jì)算），
故答案為：$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C；13．

點(diǎn)評 本題涵蓋熱化學(xué)、電化學(xué)主體內(nèi)容，涉及電極判斷與電極反應(yīng)式書寫等問題，做題時(shí)注意從氧化還原的角度判斷原電池的正負(fù)極以及電極方程式的書寫，本題中難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)為電極方程式的書寫，題目難度中等．