Question

6．甲醇是一種重要的化工原料，廣泛應用于化工生產(chǎn)，也可以直接用作燃料．
（1）已知2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
H₂O（g）=H₂O（1）△H=-44.0kJ/mol
甲醇不完全燃燒生成氣態(tài)水的熱化學方程式為2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1
若不完全燃燒20g甲醇生成液態(tài)水，此時放出的熱量為333.5kJ
（2）用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇的反應原理：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），某些化學鍵的鍵能數(shù)據(jù)如下表：

化學鍵	C-H	H-H	C-O	C=O	H-O
鍵能/kJ•mol-1	a	b	c	d	e

計算上述反應的焓變△H=（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol（用相應字母表示），若只加壓，則平衡常數(shù)K不變（選填“增大”，“減小”或“不變”）；
（3）高爐煉鐵產(chǎn)生的廢氣中的CO可進行回收，使其在一定條件下和H₂反應制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
若在溫度和容積相同的三個密閉容器中，按不同方式投入反應物，測得反應達到平衡時的有關(guān)數(shù)據(jù)如表：

容器	反應物投入的量	反應物的轉(zhuǎn)化率	CH2OH的濃度	能量變化 （Q1、Q2、Q3均大于0）
甲	1molCO和2molH2	a1	c1	放出Q1kJ熱量
乙	1molCH3OH	a2	c2	放出Q2kJ熱量
丙	2molCO和4molH2	a3	c3	放出Q3kJ熱量

下列關(guān)系正確的是AD
A．c₁=c₂   B.2Q₁=Q₃   C.2a₁=a₃   D．a(chǎn)₁+a₂=1
E．該反應若生成1molCH₂OH，則放出（Q₁+Q₃）kJ熱量
（4）若在一體積可變的密閉容器中充入1molCO、2molH₂和1molCH₂OH，達到平衡時測得混合氣體的密度是同溫同壓下起始密度的1.6倍，則達平衡前v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；
（5）甲醇一空氣堿性（KOH）燃料電池作電源電解精煉粗銅（如圖），在接通電路一段時間后純Cu質(zhì)量增加3.2g（粗銅中雜質(zhì)不參與電極反應）．
①請寫出燃料電池中的負極反應式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O
②燃料電池正極消耗空氣的體積是2.8L（標準狀態(tài)，空氣中O₂體積分數(shù)以20%計算）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律寫出甲醇不完全燃燒生成液態(tài)水的熱化學方程式；
20g甲醇的物質(zhì)的量=$\frac{20g}{32g/mol}$=$\frac{5}{8}$mol，根據(jù)甲醇和熱量之間的關(guān)系式計算放出的熱量；
（2）該反應的焓變=反應物總鍵能-生成物總鍵能；化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變；
（3）將乙中甲醇完全轉(zhuǎn)化為CO和H₂，CO和H₂的物質(zhì)的量分別是1mol、2mol，所以甲、乙是等效平衡，平衡時甲、乙容器中各物質(zhì)濃度分別相等；
丙中CO和氫氣的物質(zhì)的量是甲的2倍，可以將丙的容器增大為甲的2倍，此時二者是一樣狀態(tài)，然后將丙容器體積縮小至原來體積，相當于增大壓強，平衡正向移動；
（4）該體系體積可變，反應前后氣體密度增大，質(zhì)量不變，則體積減小，平衡向正反應方向移動；
（5）①燃料電池中，負極上燃料失電子發(fā)生氧化反應，堿性條件下，負極上甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；
②電解池中，陽極上銅離子得電子生成Cu，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子相等計算消耗空氣體積．

解答 解：（1）2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol①
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol②
H₂O（g）=H₂O（1）△H=-44.0kJ/mol③
根據(jù)蓋斯定律，將已知反應①-②-③×4得到2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l），所以該反應的△H=（-1275.6kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）-（-44.0kJ/mol）×4=-533.6kJ•mol^-1，即2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1；
20g甲醇的物質(zhì)的量=$\frac{20g}{32g/mol}$=$\frac{5}{8}$mol，1mol甲醇不完全燃燒放出533.6kJ熱量，則$\frac{5}{8}$mol甲醇不完全燃燒放出的熱量=$\frac{5}{8}$mol×533.6kJ=333.5kJ；
故答案為：2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1；333.5kJ；
（2）該反應的焓變=反應物總鍵能-生成物總鍵能=（2d+3×2×b-3a-c-e-2e）kJ/mol=（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol；
化學平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，溫度不變，平衡常數(shù)不變，所以改變壓強時平衡常數(shù)不變，
故答案為：（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol；不變；
（3）將乙中甲醇完全轉(zhuǎn)化為CO和H₂，CO和H₂的物質(zhì)的量分別是1mol、2mol，所以甲、乙是等效平衡，平衡時甲、乙容器中各物質(zhì)濃度分別相等；
丙中CO和氫氣的物質(zhì)的量是甲的2倍，可以將丙的容器增大為甲的2倍，此時二者是一樣狀態(tài)，然后將丙容器體積縮小至原來體積，相當于增大壓強，平衡正向移動；
A．甲、乙是等效平衡，則平衡時甲醇濃度相等，所以c₁=c₂，故正確；
B．根據(jù)以上分析知，丙中CO的轉(zhuǎn)化率大于甲，所以放出的熱量大于甲的2倍，所以2Q₁＜Q₃，故錯誤；
C．根據(jù)B知，丙中的轉(zhuǎn)化率大于甲，但小于甲的2倍，即2a₁＞a₃，故錯誤；
D．甲乙是等效平衡，則a₁+a₂=1，故正確；
E．甲、乙處于相同的平衡狀態(tài)，而且反應方向相反，兩個方向轉(zhuǎn)化的和恰好為1mol，所以該反應若生成1mol CH₃OH，則放出（Q₁+Q₂）kJ熱量，故錯誤；
故選AD；
（4）該體系體積可變，反應前后氣體密度增大，質(zhì)量不變，則體積減小，平衡向正反應方向移動，則正反應速率大于逆反應速率，故答案為：＞；
（5）①燃料電池中，負極上燃料失電子發(fā)生氧化反應，堿性條件下，負極上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-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②電解池中，陽極上銅離子得電子生成Cu，原電池中正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，陽極反應式為Cu²⁺+2e^-=Cu、正極反應式為 O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，生成Cu轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量=$\frac{3.2g}{64g/mol}×2$=0.1mol，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子相等得消耗氧氣體積=$\frac{\frac{0.1mol}{4}×22.4L/mol}{20%}$=2.8L，
故答案為：2.8L．

點評 本題考查較綜合，涉及原電池和電解池原理、化學平衡計算、蓋斯定律等知識點，這些都是高頻考點，難點是電極反應式的書寫、等效平衡等知識點，注意（3）題甲、丙計算技巧，題目難度中等．