Question

甲醇是基礎(chǔ)有機(jī)化工原料和新型清潔燃料，廣泛用于制造各種燃料電池．工業(yè)上以甲烷和水蒸氣為原料制備甲醇，反應(yīng)過程如下．

反應(yīng)Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁
反應(yīng)Ⅱ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂ （△H₂＜0=
（1）圖1是反應(yīng)Ⅰ進(jìn)行過程中的能量變化示意圖．根據(jù)圖象判斷，升高溫度，反應(yīng)I的平衡常數(shù)將

 

 （填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）已知在催化劑和一定壓強(qiáng)下，反應(yīng)Ⅱ能自發(fā)進(jìn)行．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2是上述三種溫度下不同的H₂和CO的起始組成比（起始時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對應(yīng)的溫度是

 

；該溫度下上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為

 

．
（3）圖3甲是一種甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖，甲醇提供質(zhì)子和電子，電子經(jīng)外電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng)，電池總反應(yīng)為2CH₃OH+3O₂

△   .

2CO₂+4H₂O．
①M(fèi)電極的電極反應(yīng)式為

 

．
②以上述電池做電源，用圖3乙所示裝置，在實驗室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中，發(fā)現(xiàn)Al電極附近逐漸變渾濁并有氣泡逸出，原因是（用離子方程式表示）：

 

．Al電極應(yīng)接燃料電池的

 

（填“M”或“N”）極．
（4）合成甲醇時可選用CuCl為催化劑．CuCl是不溶于水的白色固體，制備時向CuCl₂溶液中加入過量銅粉，發(fā)生反應(yīng)CuCl₂+Cu═2CuCl．在實驗過程中應(yīng)先加入濃鹽酸，發(fā)生反應(yīng)CuCl+HCl?H[CuCl₂]．反應(yīng)結(jié)束后將溶液倒入蒸餾水中有CuCl生成．實驗過程中加入濃鹽酸的目的是

 

．當(dāng)c（Cl^-）=2×10^-3mol?L^-1時，c（Cu⁺）=

 

 mol?L^-1．已知：K_sp（CuCl）=1.7×10^-7．

Answer 1

分析：（1）對于吸熱反應(yīng)，溫度越高，化學(xué)反應(yīng)的K越大；
（2）合成甲醇的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高，轉(zhuǎn)化率降低；根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率求算；
（3）在燃料電池中，負(fù)極是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，陽離子從負(fù)極流向正極；根據(jù)電解池的工作原理和雙水解原理知識來回答；
（4）根據(jù)濃鹽酸發(fā)生的反應(yīng)結(jié)合平衡移動原理來解釋，根據(jù)CuCl的Ksp=c（Cu⁺）?c（Cl^-）來計算回答．

解答：解：（1）根據(jù)圖一知道，反應(yīng)物的能量低于生成物的能量，所以該反應(yīng)是吸熱的，溫度越高，K越大，故答案為：增大；
（2）根據(jù)反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1，是放熱反應(yīng)，溫度越高，轉(zhuǎn)化率越低，所以曲線Z對應(yīng)的溫度是270℃，
故答案是：270℃；
  ②該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

，a點時，CO轉(zhuǎn)化率50%，反應(yīng)消耗了2mol×50%=1molCO，消耗氫氣2mol，剩余1molCO，n（H₂）=3mol-2mol=1mol，生成1mol甲醇，a點各組分的濃度是：c（CH₃OH）=

1mol

2L

=0.5mol/L，c（CO）=

1mol

2L

=0.5mol/L，0.5mol/L，c（H₂）=

1mol

2L

=0.5mol/L，代入表達(dá)式得：K=

0.5mol?L-1

0.5mol?L-1×(0.5mol?L-1)2

=4L²?mol^-2，
故答案是：270℃；4L²?mol^-2；
（3）①在燃料電池中，氫離子從負(fù)極流向正極，所以M電極是負(fù)極，N電極是正極，負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，即：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
②在電解池中，金屬鋁為陽極，和電源的正極相接，燃料電池的正極是通氧氣的電極，即和N極相連，Al極發(fā)生電極反應(yīng)：Al-3e^-=Al³⁺，鋁離子會和碳酸氫根離子之間發(fā)生雙水解反應(yīng)生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳，即Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，溶液逐漸變渾濁，故答案為：Al+3HCO₃^--3e^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑；N；
（4）制備CuCl時，向CuCl₂溶液中加入過量銅粉，發(fā)生反應(yīng)CuCl₂+Cu═2CuCl，在實驗過程中應(yīng)先加入濃鹽酸，發(fā)生反應(yīng)CuCl+HCl?H[CuCl₂]，由此可見加入濃鹽酸可以促使平衡正向移動，這樣可以防止CuCl固體覆蓋在Cu表面，影響反應(yīng)的進(jìn)行，CuCl的K_sp=c（Cu⁺）?c（Cl^-），當(dāng)

Ksp

c(Cl-)

=

1.7×10-7

2×10-3

8.5×10^-5mol/L，故答案為：促使平衡正向移動，防止CuCl固體覆蓋在Cu表面，影響反應(yīng)的進(jìn)行；8.5×10^-5．

點評：本題涉及電化學(xué)、熱化學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的綜合知識的考查，注意知識的歸納和整理是關(guān)鍵，難度較大．