Question

科學(xué)家利用太陽(yáng)能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇和水，并開(kāi)發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池．如圖中甲池是一個(gè)甲醇燃料電池工作時(shí)的示意圖．乙池中的兩個(gè)電極均為石墨電極，乙池中盛有100mL 3.00mol．L^-1的CuSO₄溶液．已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）N的電極反應(yīng)式為

 

；
（2）在此過(guò)程中，乙池中某一電極析出金屬銅6.4g時(shí)，甲池中理論上消耗氧氣為多少

 

L；
（3）在此過(guò)程中，若乙池中兩電極產(chǎn)生的氣體恰好相等時(shí)（假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下），理論上需通入

 

g甲醇；
（4）甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為_(kāi)

 

；
（5）在直接以甲醇為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為堿性，負(fù)極的反應(yīng)式為

 

，總反應(yīng)式

 

；
（6）在350℃時(shí)，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒容器中，充分反應(yīng)生成甲醇蒸汽和水蒸氣達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為a，則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為

 

；若350℃時(shí)，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒壓器中，充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，若CO₂轉(zhuǎn)化率為b，則a

 

b（用“＞、=、＜”表示）．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)電源新型電池,電解原理

專(zhuān)題：電化學(xué)專(zhuān)題

分析：（1）燃料電池的正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，負(fù)極上是燃料失電子的還原反應(yīng)，電解池中，和電源的正極相連的是陽(yáng)極，該極上發(fā)生氧化反應(yīng)，和電源的負(fù)極相連的是陰極，該極上發(fā)生得電子的還原反應(yīng)；
（2）根據(jù)電極反應(yīng)式結(jié)合電子守恒來(lái)計(jì)算；
（3）根據(jù)電極反應(yīng)式結(jié)合電子守恒來(lái)計(jì)算；
（4）根據(jù)H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1，結(jié)合熱化學(xué)方程式的意義來(lái)回答；
（5）氫氧燃料電池中，乙醇從負(fù)極通入，在反應(yīng)中失電子被氧化，堿性條件下生成碳酸根離子和水，燃料電池的總反應(yīng)是燃料燃燒的化學(xué)方程式；
（6）根據(jù)化學(xué)平衡的三段法計(jì)算平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量，再利用反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比來(lái)計(jì)算壓強(qiáng)之比；根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)平衡移動(dòng)的影響來(lái)確定平衡的移動(dòng)方向．

解答： 解：（1）燃料電池的正極上是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，電解池中，和電源的正極相連的是陽(yáng)極，該極上發(fā)生氧化反應(yīng)，所以N是陽(yáng)極，該極上電極反應(yīng)為：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺，故答案為：2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺；
（2）乙池中M電極析出金屬銅6.4g，根據(jù)電極反應(yīng)：Cu²⁺+2e^-=Cu，析出金屬銅6.4g即0.1mol，轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是0.2mol，在燃料電池的正極上發(fā)生電極反應(yīng)：
O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，當(dāng)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是0.2mol時(shí)，消耗氧氣的物質(zhì)的量是0.05mol，體積是0.05mol×22.4L/mol=1.12L，
故答案為：1.12；
（3）乙池中發(fā)生的反應(yīng)分別是：陽(yáng)極上：4OH^-=O₂↑+2H₂O+4e^-，陽(yáng)極上Cu²⁺+2e^-=Cu，2H⁺+2e^-=H₂↑，100mL3.00mol?L^-1的CuSO₄溶液中銅離子物質(zhì)的量是：0.3mol，銅離子得電子的是0.6mol，若兩電極產(chǎn)生的氣體恰好相等時(shí)（假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)狀況下），設(shè)均為nmol，則2n+0.6=4n，解得n=0.3，即裝置在轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量是1.2mol，甲醇燃料電池的負(fù)極上發(fā)生反應(yīng)：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，當(dāng)轉(zhuǎn)移電子是1.2mol，消耗甲醇的物質(zhì)的量是0.2mol，質(zhì)量是0.2mol×32g/mol=6.4g，
故答案為：6.4；
（4）已知H₂（g）、CO（g）和CH₃OH（l）的熱值分別為143kJ?g^-1、10kJ?g^-1和23kJ?g^-1，即：
①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂0（l）；△H=-572kJ?mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-560.0kJ?mol^-1
③2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4 H₂O（l）△H=-1472kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，則CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）是反應(yīng)③×

1

2

-②×

1

2

得到，所以反應(yīng)的△H=-456 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-456 kJ?mol^-1                     
（5）在甲醇燃料電池的負(fù)極上是甲醇失電子的氧化反應(yīng)，在堿性電解質(zhì)下，電極反應(yīng)為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，總反應(yīng)是甲醇燃燒的方程式，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
（6）由化學(xué)平衡的三段模式法計(jì)算可知，
CO₂ （g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始  1        3       0        0
變化  a        3 a      a        a
平衡 1-a       3-3a     a        a
根據(jù)相同條件下氣體的壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，
則容器內(nèi)的壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為

1-a+3-3a+a+a

1+3

=

2-a

2

，若350℃時(shí)，保持溫度不變，將1molCO₂和3molH₂充入一密閉恒壓器中，由于反應(yīng)中氣體的物質(zhì)的量
是減小的，所以恒壓相當(dāng)于在恒容的基礎(chǔ)上加大壓強(qiáng)，平衡會(huì)正向移動(dòng)，CO₂轉(zhuǎn)化率會(huì)增大，即a＜b．
故答案為：

2-a

2

；＜．

點(diǎn)評(píng)：本題綜合考查學(xué)生熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、電解池和燃料電池的工作原理、化學(xué)平衡的影響因素和計(jì)算等知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，難度中等．