Question

3．開發利用清潔能源具有廣闊的開發和應用前景，可減少污染解決霧霾問題．甲醇是一種可再生的清潔能源，一定條件下用CO和H₂合成CH₃OH：CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-105kJ•mol^-1．向體積為2L的密閉容器中充入2mol CO和4mol H₂，測得不同溫度下容器內的壓強（P：kPa）隨時間（min）的變化關系如圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線所示：

（1）①Ⅱ和Ⅰ相比，改變的反應條件是Ⅱ中使用催化劑．
②反應Ⅰ在6min時達到平衡，在此條件下從反應開始到達到平衡時v （CH₃OH）=0.125 mol/（L．min）．
③反應Ⅱ在2min時達到平衡，平衡常數K（Ⅱ）=12．在體積和溫度不變的條件下，在上述反應達到平衡Ⅱ時，再往容器中加入1mol CO和3mol CH₃OH后v_（正）= v_（逆）．（填“＞”“＜”“=”），原因是濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，可逆反應處于平衡狀態．
④比較反應Ⅰ的溫度（T₁）和反應Ⅲ的溫度（T₃）的高低：T₁＞T₃（填“＞”“＜”“=”），判斷的理由是此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動．
（2）某研究所組裝的CH₃OH-O₂燃料電池的工作原理如圖2所示．
①該電池負極的電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺；．
②以此電池作電源進行電解，裝置如圖3所示．發現溶液逐漸變渾濁并有氣泡產生，其原因是Al-3e^-=Al³⁺、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．（用相關的離子方程式表示）．

Answer 1

分析 （1）①Ⅱ和Ⅰ相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質的量減小的反應，應是使用催化劑；
②恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質的量之比，故平衡時混合氣體總物質的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKPa}{2.0aKPa}$=3mol，則：
                          CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質的量減小△n=2
起始量（mol）：2                 4                        0
變化量（mol）：1.5              3                         1.5                         6-3=3
平衡量（mol）：0.5                1                          1.5
再根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH）；
③Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數相同，根據K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算平衡常數；
計算此時濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行；
④反應Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度；
（2）①甲醇發生氧化反應，在負極反應酸溶液中失電子生成二氧化碳，據此書寫電極反應，再從氫離子移動方向分析．正極是氧氣在反應，注意電解質是酸性的；
②陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發生雙水解反應．

解答 解：（1）①Ⅱ和Ⅰ相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質的量減小的反應，應是使用催化劑，
故答案為：Ⅱ中使用催化劑；
②恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質的量之比，故平衡時混合氣體總物質的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKPa}{2.0aKPa}$=3mol，則：
                             CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質的量減小△n=2
起始量（mol）：2                 4                      0
變化量（mol）：1.5                 3                   1.5                                    6-3=3
平衡量（mol）：0.5                1                    1.5
則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{6min}$=0.125 mol/（L．min），
故答案為：0.125 mol/（L．min）；
③Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數相同，平衡常數K（Ⅱ）=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{1.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=12，
此時濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，處于平衡狀態，則v（正）=v （逆），
故答案為：12；=，濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，可逆反應處于平衡狀態；
④反應Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度，故溫度T₁溫度更高，
故答案為：＞；此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動；
（2）①H向右移動，說明右面的電極是正極，故甲醇應從b也就是負極通入．甲烷失電子生成二氧化碳發生氧化反應，負極電極反應為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，正極是氧氣反應，在酸性條件下，電極反應式應為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺；
②鋁作陽極，陽極上電極反應式為Al=Al³⁺+3e^-；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al-3e^-=Al³⁺、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、反應速率與平衡常數、原電池原理等，理解掌握化學平衡常數應用，難度中等．