Question

4．開發新能源是解決環境污染的重要舉措，其中甲醇、甲烷是優質的清潔燃料，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水的熱化學方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442KJ/mol．
（2）生產甲醇的原料CO和H₂可由反應CH₄（g）+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO（g）+3H₂（g）△H＞0得到．
①一定條件下CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖甲．則P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”，下同）．A、B、C三點處對應平衡常數（K_A、K_B、K_C）的大小順序為K_A＜K_B＜K_C．

②100°C時，將1molCH4和2molH₂O通入容積為1L的定容密閉容器中發生反應，能說明該反應已經達到平衡狀態的是ac（填序號）．
a．容器的壓強恒定   b．容器內氣體密度恒定
c．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂）   d．單位時間內消耗0.1molCH₄同時生成0.3molH₂
（3）甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于結構簡單、能量轉化率高、對環境無污染，可作為常規能源的替代品而越來越受到關注．DMFC工作原理如圖乙所示：通入a氣體的電極是原電池的負極（填“正”“負”），其電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
（4）某研究小組將兩個甲烷燃料電池串聯后作為電源，進行飽和氯化鈉溶液電解實驗，如圖丙所示U形管中氯化鈉溶液的體積為800ml．閉合K后，若每個電池甲烷用量均為0.224L（標況），且反應完全，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（列式計算．法拉第常數F=9.65×10⁴C/mol），若產生的氣體全部逸出，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）根據熱化學方程式利用蓋斯定律計算反應熱并書寫熱化學方程式，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．
依據蓋斯定律計算（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水的熱化學方程式；
（2）①在200℃時，看不同壓強下CO的轉化率大小，結合化學方程式中反應前后氣體的體積變化解答；正反應吸熱，隨溫度升高，平衡正向移動，化學平衡常數K增大；
②可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等各組分濃度保持不變；
（3）根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發生氧化反應；
（4）電解氯化鈉溶液的化學方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH計算．

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．
依據蓋斯定律計算（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水的熱化學方程式為：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的轉化率P₁＞P₂，在CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）反應中，生成物的氣體體積大于反應物，壓強增大時平衡向逆向移動，故P₁＜P₂，正反應吸熱，隨溫度升高，平衡正向移動，化學平衡常數K增大，所以K_A＜K_B＜K_C，
故答案為：＜；K_A＜K_B＜K_C；
②可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等各組分濃度保持不變，
a．反應前后氣體體積不同，所以容器的壓強恒定時反應達到平衡狀態，故a正確；
b．容器體積不變，氣體質量不變，所以容器內氣體密度始終恒定，故b錯誤；
c．3v正（CH₄）=v逆（H₂），說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，故c正確；
d．單位時間內消耗0.1molCH₄同時生成0.3molH₂，都是正反應速率，不能說明反應達到平衡狀態，故d錯誤；
故答案為：ac；
（3）根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發生氧化反應，負極反應式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
（4）電解氯化鈉溶液的化學方程式為2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，可知關系式1 mol CH₄～8 mol e^-～8molNaOH，故若每個電池甲烷通入量為0.224L（標準狀況），生成0.08molNaOH，c（NaOH）=$\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}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C（題中雖然有兩個燃料電池，但電子的傳遞量只能用一個池的甲烷量計算），
故答案為：$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×8×9.65×10⁴C•mol^-1=7.72×10³C；13．

點評 本題涵蓋熱化學、電化學主體內容，涉及電極判斷與電極反應式書寫等問題，做題時注意從氧化還原的角度判斷原電池的正負極以及電極方程式的書寫，本題中難點和易錯點為電極方程式的書寫，題目難度中等．