甲醇是基礎(chǔ)有機(jī)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(yè)上以甲烷和水蒸氣為原料制備甲醇,反應(yīng)過程如下.
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反應(yīng)Ⅰ:CH4(g)+H2O(g)?CO(g)+3H2(g)△H1
反應(yīng)Ⅱ:CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H2 (△H2<0=
(1)圖1是反應(yīng)Ⅰ進(jìn)行過程中的能量變化示意圖.根據(jù)圖象判斷,升高溫度,反應(yīng)I的平衡常數(shù)將
 
 (填“增大”、“減小”或“不變”).
(2)已知在催化劑和一定壓強(qiáng)下,反應(yīng)Ⅱ能自發(fā)進(jìn)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(guī)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(shí)CO的物質(zhì)的量均為1mol)與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系,則曲線Z對應(yīng)的溫度是
 
;該溫度下上述反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為
 

(3)圖3甲是一種甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖,甲醇提供質(zhì)子和電子,電子經(jīng)外電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng),電池總反應(yīng)為2CH3OH+3O2
  △  
.
 
2CO2+4H2O.
①M(fèi)電極的電極反應(yīng)式為
 

②以上述電池做電源,用圖3乙所示裝置,在實(shí)驗(yàn)室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中,發(fā)現(xiàn)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(yīng)接燃料電池的
 
(填“M”或“N”)極.
(4)合成甲醇時(shí)可選用CuCl為催化劑.CuCl是不溶于水的白色固體,制備時(shí)向CuCl2溶液中加入過量銅粉,發(fā)生反應(yīng)CuCl2+Cu═2CuCl.在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)先加入濃鹽酸,發(fā)生反應(yīng)CuCl+HCl?H[CuCl2].反應(yīng)結(jié)束后將溶液倒入蒸餾水中有CuCl生成.實(shí)驗(yàn)過程中加入濃鹽酸的目的是
 
.當(dāng)c(Cl-)=2×10-3mol?L-1時(shí),c(Cu+)=
 
 mol?L-1.已知:Ksp(CuCl)=1.7×10-7
分析:(1)對于吸熱反應(yīng),溫度越高,化學(xué)反應(yīng)的K越大;
(2)合成甲醇的反應(yīng)是放熱反應(yīng),溫度升高,轉(zhuǎn)化率降低;根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率求算;
(3)在燃料電池中,負(fù)極是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng),陽離子從負(fù)極流向正極;根據(jù)電解池的工作原理和雙水解原理知識(shí)來回答;
(4)根據(jù)濃鹽酸發(fā)生的反應(yīng)結(jié)合平衡移動(dòng)原理來解釋,根據(jù)CuCl的Ksp=c(Cu+)?c(Cl-)來計(jì)算回答.
解答:解:(1)根據(jù)圖一知道,反應(yīng)物的能量低于生成物的能量,所以該反應(yīng)是吸熱的,溫度越高,K越大,故答案為:增大;
(2)根據(jù)反應(yīng)CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H1=-116kJ?mol-1,是放熱反應(yīng),溫度越高,轉(zhuǎn)化率越低,所以曲線Z對應(yīng)的溫度是270℃,
故答案是:270℃;
  ②該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=
c(CH3OH)
c(CO)?c2(H2)
,a點(diǎn)時(shí),CO轉(zhuǎn)化率50%,反應(yīng)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(diǎn)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(dá)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(fù)極流向正極,所以M電極是負(fù)極,N電極是正極,負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng),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(fā)生電極反應(yīng):Al-3e-=Al3+,鋁離子會(huì)和碳酸氫根離子之間發(fā)生雙水解反應(yīng)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(shí),向CuCl2溶液中加入過量銅粉,發(fā)生反應(yīng)CuCl2+Cu═2CuCl,在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)先加入濃鹽酸,發(fā)生反應(yīng)CuCl+HCl?H[CuCl2],由此可見加入濃鹽酸可以促使平衡正向移動(dòng),這樣可以防止CuCl固體覆蓋在Cu表面,影響反應(yīng)的進(jìn)行,CuCl的Ksp=c(Cu+)?c(Cl-),當(dāng)
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(dòng),防止CuCl固體覆蓋在Cu表面,影響反應(yīng)的進(jìn)行;8.5×10-5
點(diǎn)評:本題涉及電化學(xué)、熱化學(xué)以及化學(xué)反應(yīng)速率和平衡的綜合知識(shí)的考查,注意知識(shí)的歸納和整理是關(guān)鍵,難度較大.
練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中化學(xué) 來源:模擬題 題型:填空題

甲醇是基礎(chǔ)有機(jī)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(yè)上以甲烷和水蒸氣為原料制備甲醇,反應(yīng)過程如下。
反應(yīng)Ⅰ:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1
反應(yīng)Ⅱ:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H2
(1)如圖是反應(yīng)1進(jìn)行過程中的能量變化示意圖。根據(jù)圖象判斷,升高溫度,反應(yīng)I的平衡常數(shù)將____________ (填“增大”、“減小”或“不變”)。反應(yīng)I的逆反應(yīng)的活化能為___________(用含E1、E2的表達(dá)式表示)
(2)已知在催化劑和一定壓強(qiáng)下,反應(yīng)?能自發(fā)進(jìn)行。若保持容器容積不變,下列措施可增加該反應(yīng)中CO轉(zhuǎn)化率的是___________(填字母)。
A.適當(dāng)降低溫度
B.將甲醇從反應(yīng)體系中分離出來
C.充入He,使體系總壓強(qiáng)增大
D.按原比例再充入CO和H2
(3)一種甲醇燃料電池以多孔石墨為電極,一極通入甲醇蒸氣,另一極通入氧氣,電解質(zhì)溶液為4L 1 moI/L的KOH溶液。當(dāng)有3 mol甲醇放電時(shí),電解質(zhì)溶液中各種離子的濃度由大到小的順序?yàn)開________________
(4)下圖甲是一種甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖,甲醇提供質(zhì)子和電子,電子經(jīng)外電路到達(dá)另一極與氧氣反應(yīng),電池總反應(yīng)為2CH3OH+3O22CO2+4H2O。
①M(fèi)電極的電極反應(yīng)式為______________________________。
②以上述電池做電源,用乙圖所示裝置,在實(shí)驗(yàn)室中模擬鋁制品表面“鈍化”處理的過程中,發(fā)現(xiàn)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(yīng)接燃料電池的___________(填“M”或“N”)極。

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