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的物質的量均為1mol）與CO平衡轉化率的關系，則曲線Z對應的溫度是270℃；該溫度下上述反應的化學平衡常數為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兩極上產生的氣體體積相同．

I．甲中負極的電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O
II．乙中反應的化學方程式為2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；A極析出的氣體在標準狀況下的體積為2.24L．
III．丙裝置溶液中金屬陽離子的物質的量與轉移電子的物質的量變化關系如圖3，則圖中②線表示的是Fe²⁺的變化；反應結束后，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）正反應放熱，則升高溫度CO的轉化率降低；計算出平衡時各物質的濃度，結合平衡常數的定義進行計算；
（2）I．通入甲醇的一極為原電池的負極，發(fā)生氧化反應，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兩極上產生的氣體體積相同，分析電極反應，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；陽極電極反應和電子守恒計算得到；
III．C電極為陽極，D電極為陰極，根據丙圖可知溶液中有三種金屬陽離子，而根據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，根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化確定曲線對應的離子，結合轉移電子的物質的量計算．

解答 解：（1）．根據該反應為放熱反應，溫度越高CO的轉化率越小，所以曲線Z為270℃；
由圖象可知當270℃時，CO的轉化率為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，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為：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，化學方程式：
工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產生的氣體體積相同，分析電極反應，B為陰極，溶液中銅離子析出，氫離子得到電子生成氫氣，設生成氣體物質的量為X，溶液中銅離子物質的量為0.1mol，電極反應為：
   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，電極反應為：2CuSO4+2H2O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄；
4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
    4x       x
根據得失電子守恒得到0.2+2x=4x，
x=0.1mol
乙中A極析出的氣體是氧氣，物質的量為0.1mol，在標準狀況下的體積為2.24L，
故答案為：2CuSO₄+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+O₂↑+2H₂SO₄ ；2.24L；
III．根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質的量減小，亞鐵離子增加，故①為Fe³⁺，②為Fe²⁺，③為Cu²⁺，
由圖可知電子轉移為0.4mol，生成Cu²⁺物質的量為0.2mol，陰極電極反應Fe³⁺+e^-=Fe²⁺，反應結束后，溶液中有Fe²⁺為0.5mol，Cu²⁺為0.2mol，所以需要加入NaOH溶液0.5×2+0.2×2=1.4mol，所以所需NaOH溶液的體積為$\frac{1.4}{5}$=0.28L=280mL，
故答案為：Fe²⁺；280．

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