Question

4．CH₃OH是一種無色有刺激性氣味的液體，在生產生活中有重要用途，同時也是一種重要的化工原料．
（1）已知CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）能量變化如圖，下列說法正確的是CD
A．CH₃OH轉變成H₂的過程是一個吸收能量的過程
B．H₂的生成速率與CH₃OH的消耗速率之比為1：2
C．化學變化不僅有新物質生成，同時也一定有能量變化
D．1mol H-O鍵斷裂的同時2mol C=O鍵斷裂，則反應達最大限度
（2）某溫度下，將5molCH₃OH和2molO₂充入2L的密閉容器中，經過4min反應達到平衡，測得c（O₂）=0.2mol•L^-1，4min內平均反應速度v（H₂）=0.8mol•L^-1•min^-1，則CH₃OH的轉化率為64%．
（3）CH₃OH燃料電池是目前開發最成功的燃料電池之一，這種燃料電池由甲醇、空氣（氧氣）、KOH（電解質溶液）構成．則下列說法正確的是CD．
A．電池放電時通入空氣的電極為負極
B．電池放電時負極的電極反應式為CH₃OH-6e^-═CO₂↑+2H₂O
C．電池放電時，電解質溶液的堿性逐漸減弱
D．電池放電時每消耗6.4gCH₃OH轉移1.2mol電子
①若電解質溶液改為酸溶液，請寫出甲醇燃料電池的負極電極反應式CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺．
②與鉛蓄電池相比，當消耗相同質量的負極活性物質時，甲醇燃料電池的理論放電量是鉛蓄電池的19.4倍（保留一位小數）．
③肼（N₂H₄）-空氣燃料電池也是一種很有發展前景、對環境很友好的堿性電池，該電池放電時，負極的反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑．

Answer 1

分析 （1）A、反應物的能量高于生成物的能量，反應是放熱的，反之是吸熱的；
B、化學反應速率之比等于系數之比；
C、化學變化伴隨物質變化，同時也一定有能量變化；
D、當化學反應得到平衡狀態時，反應達到了最大限度．
（2）根據化學反應速率v=$\frac{△c}{△t}$計算反應速率，根據三行式結合轉化率等于變化量和初始量的比值計算轉化率；
（3）根據電池總反應：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O知，負極甲醇失去電子發生氧化反應；正極上氧氣得電子發生還原反應，根據電池反應式判斷溶液的pH值變化；
①甲醇燃料電池的負極上是甲醇失電子的氧化反應，據電解質環境書寫電極反應式；
②根據負極上的反應，消耗負極質量減少一樣多時，轉移得電子的物質的量即可；
③肼-氧氣堿性燃料電池中，負極上燃料肼失電子和氫氧根離子反應生成水和氮氣．

解答 解：（1）A、根據圖示反應物的能量高于生成物的能量，反應是放熱的，故A錯誤；
B、化學反應速率之比等于系數之比，H₂的生成速率與CH₃OH的消耗速率之比為2：1，故B錯誤；
C、化學變化伴隨物質變化，同時也一定有能量變化，故C正確；
D、當化學反應得到平衡狀態時，反應達到了最大限度，1mol H-O鍵斷裂的同時2mol C=O鍵斷裂，說明正逆反應速率相等，達到了平衡，故D正確．
故選CD．
（2）經過4min反應達到平衡，測得c（O₂）=0.2mol•L^-1，氧氣的變化濃度1.0mol/L-0.2mol/L=0.8mol/L．    
           CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）
初始濃度：2.5         1          0       0
變化濃度：1.6         0.8      1.6     3.2
末態濃度：0.9         0.2      1.6     3.2
4min內平均反應速度v（H₂）=$\frac{3.2mol/L}{4min}$=0.8mol/（L•min），CH₃OH的轉化率$\frac{1.6}{2.5}$×100%=64%，故答案為：0.8mol•L^-1•min^-1；64%；
（3）A、正極氧氣上得電子發生還原反應，則氧氣參與反應的電極為正極，故A錯誤；
B、放電時，負極上甲醇失電子發生氧化反應，甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應式為CH₃OH+8OH^--6e-=CO₃^2-+6H₂O，故B錯誤；
C、電池總反應：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，反應消耗氫氧根離子，所以反應后溶液的pH減小，堿性減弱，故C正確；
D、甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，則電極反應式為CH₃OH+8OH^--6e-=CO₃^2-+6H₂O，所以電池放電時每消耗1 mol CH₃OH轉移6 mol電子，每消耗6.4gCH₃OH轉移1.2mol電子，故D正確；
故選CD；
①甲醇燃料電池的負極上是甲醇失電子的氧化反應，酸性電解質環境下電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺；  
②根據負極上的電極反應式：CH₃OH-6e^-+H₂O═CO₂↑+6H⁺，消耗1g甲醇，轉移電子的物質的量是$\frac{3}{16}$mol，鉛蓄電池的負極上發生的反應為：Pb-2e^-+SO₄^2-=PbSO₄，
消耗1gPb，轉移電子的物質的量是$\frac{2}{207}$mol，所以當消耗相同質量的負極活性物質時，甲醇燃料電池的理論放電量是鉛蓄電池的比值是：$\frac{3}{16}：\frac{2}{207}$=19.4，故答案為：19.4；
③肼-氧氣堿性燃料電池中，負極上燃料肼失電子和氫氧根離子反應生成水和氮氣，電極反應式為N₂H₄+4OH^--4e^-=4H₂O+N₂↑，故答案為：N₂H₄-4e^-+4OH^-═N₂↑+4H₂O．

點評 本題考查了化學反應速率、平衡的有關計算、原電池原理等知識，明確正負極上得失電子及反應類型是解本題關鍵，難點是電極反應式的書寫．