Question

近年來，各國加速推進燃料電池的研發(fā)．燃料電池的燃料有氫氣、甲醇等．
（1）通過下列硫--碘循環(huán)工藝可制得燃料電池的燃料氫氣：

①該循環(huán)工藝過程的總反應(yīng)方程式為

 

．
②用化學平衡移動的原理分析，在HI分解反應(yīng)中使用膜反應(yīng)器分離出H₂的目的是

 

（2）二氧化碳是地球溫室效應(yīng)的罪魁禍首，目前人們處理二氧化碳的方法之一是使其與氫氣反應(yīng)合成甲醇．已知氫氣、甲醇燃燒的熱化學方程式如下：
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）；△H=-283.0kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（1）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（1）；△H=-726.0kJ?mol^-1…②
寫出二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式

 

．
（3）甲醇--空氣燃料電池是利用稀土金屬氧化物作為固體電解質(zhì)，這種稀土金屬氧化物在高溫下能傳導O^2-．
①負極發(fā)生的反應(yīng)是

 

②在稀土金屬氧化物的固體電解質(zhì)中，O^2-．的移動方向是

 

．
（4）已知反應(yīng)2CH30H?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數(shù)為400．此    溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應(yīng)到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol?L-1）	0.44	0.6	0.6

①比較此時正、逆反應(yīng)速率的大小v_正

 

v_逆 （填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，經(jīng)10min反應(yīng)達到平衡，該時間內(nèi)反應(yīng)速率v（CH₃0H）=

 

．

Answer 1

分析：（1）①寫出該流程中的各反應(yīng)方程式，然后寫出總的反應(yīng)方程式即可；
②根據(jù)平衡移動的原理進行分析；
（2）依據(jù)蓋斯定律和熱化學方程式計算得到二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式；
（3）①燃料電池中依據(jù)原電池工作原理，正極是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)是固體，氧氣得到電子生成氧離子；甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成二氧化碳；
②根據(jù)原電池中陰離子移向負極進行判斷；
（3）①將各物質(zhì)的濃度帶入平衡常數(shù)表達式，將計算結(jié)果與平衡常數(shù)進行比較，從而判斷平衡移動方向；
②設(shè)出達到平衡時甲醚的物質(zhì)的量濃度，然后利用平衡常數(shù)計算出達到平衡時甲醚的濃度，再計算出10min內(nèi)的反應(yīng)速率v（CH₃0H）．

解答：解：①在反應(yīng)器中發(fā)生反應(yīng)：SO₂+I₂+2H₂O=2HI+H₂SO₄，2H₂SO₄=2SO₂+2H₂O+O₂，在膜反應(yīng)器中的反應(yīng)為：2HI?I₂+H₂，根據(jù)以上反應(yīng)方程式可得：2H₂O=O₂+2H₂，
故答案為：2H₂O=O₂+2H₂；
②在膜分離器中發(fā)生反應(yīng)：2HI?I₂+H₂，將H₂分離出來有利于平衡向右移動，利于I₂和H₂的生成，
故答案為：有利于平衡向右移動，有利于碘和氫氣的生成；
（2）2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）；△H=-283.0kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0kJ?mol^-1 ②
依據(jù)蓋斯定律①×3-②得到：2CO₂ （g）+6H₂ （g）=2CH₃OH（l）+2H₂O （l）△H=-123kJ?mol^-1；
熱化學方程式為：CO₂ （g）+H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ?mol^-1；
故答案為：CO₂ （g）+H₂ （g）=CH₃OH（l）+H₂O （l）△H=-61.5kJ?mol^-1；
（3）①甲醇一空氣燃料電池中氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)生成氧離子，電極反應(yīng)為：O₂+4e^-=2O^2-； 甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O；
故答案為：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O；
②依據(jù)電極反應(yīng)分析可知原電池中陰離子移向負極，氧離子從正極流向負極移動，
故答案為：從正極流向負極；
）①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為：K=

c(CH3OCH3)?c(H2O)

c2(CH3OH)

，將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達式：

0.6×0.6

0.442

=1.86＜400，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，
故答案為：＞；
②設(shè)達到平衡時甲醚的物質(zhì)的量濃度為x，
                  2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某時刻濃度（mol?L^-1）：0.44           0.6     0.6
轉(zhuǎn)化濃度（mol?L^-1）：2x            x        x  
平衡濃度（mol?L^-1）：0.44-2x         0.6+x   0.6+x
將各組分濃度帶入平衡常數(shù)表達式可得：K=

(0.6+x)2

(0.44-2x)2

=400，解得 x=0.2mol/L，
達到平衡時甲醚的濃度為：0.8mol/L，則10min轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量濃度為：c（CH₃OH）=2c（CH₃OCH₃）=1.6mol/L，
所以甲醇的反應(yīng)速率為v（CH₃OH）=

1.6mol/L

10min

=0.16 mol/（L?min），
故答案為：0.16 mol/（L?min）．

點評：本題考查較為綜合，題量較大，題目難度中等，注意“始、轉(zhuǎn)、平”是解決有關(guān)化學平衡的“三段論”解題法，當三組量一旦確定，可以解答有關(guān)平衡時的平衡常數(shù)計算、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、平衡時成分的體積分數(shù)等．