Question

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

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

 

 （填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）已知在催化劑和一定壓強下，反應Ⅱ能自發進行．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的物質的量均為1mol）與CO平衡轉化率的關系，則曲線Z對應的溫度是

 

；該溫度下上述反應的化學平衡常數為

 

．
（3）圖3甲是一種甲醇燃料電池的結構示意圖，甲醇提供質子和電子，電子經外電路到達另一極與氧氣反應，電池總反應為2CH₃OH+3O₂

△   .

2CO₂+4H₂O．
①M電極的電極反應式為

 

．
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，發現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，發生反應CuCl₂+Cu═2CuCl．在實驗過程中應先加入濃鹽酸，發生反應CuCl+HCl?H[CuCl₂]．反應結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，溫度越高，化學反應的K越大；
（2）合成甲醇的反應是放熱反應，溫度升高，轉化率降低；根據平衡常數表達式和一氧化碳的轉化率求算；
（3）在燃料電池中，負極是燃料發生失電子的氧化反應，正極是氧氣發生得電子的還原反應，陽離子從負極流向正極；根據電解池的工作原理和雙水解原理知識來回答；
（4）根據濃鹽酸發生的反應結合平衡移動原理來解釋，根據CuCl的Ksp=c（Cu⁺）?c（Cl^-）來計算回答．

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

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

，a點時，CO轉化率50%，反應消耗了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，氫離子從負極流向正極，所以M電極是負極，N電極是正極，負極上是燃料發生失電子的氧化反應，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極發生電極反應：Al-3e^-=Al³⁺，鋁離子會和碳酸氫根離子之間發生雙水解反應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，發生反應CuCl₂+Cu═2CuCl，在實驗過程中應先加入濃鹽酸，發生反應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，影響反應的進行，CuCl的K_sp=c（Cu⁺）?c（Cl^-），當

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，影響反應的進行；8.5×10^-5．

點評：本題涉及電化學、熱化學以及化學反應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鍵，難度較大．