Question

CH₃OH是一种重要的化工原料。工业上常以CO和H₂的混合气体为原料制备甲醇，其反应方程式为CO+2H₂⇌CH₃OH。

(1)一定条件下向2 L的密闭容器中通入一定量的CO和H₂使其发生上述反应，n(CO)随时间的变化如下表所示:

时间/min	0	1	2	3	4	5
n(CO)/mol	1.0	0.8	0.5	0.25	0.20	0.20

①平均反应速率最大的时间段:___________min(填 “0~1”、“1~2” 、“2~3”“3~4”或“4~5”)。

②从反应开始到3 min末，氢气的平均反应速率v(H₂)=______________mol·L^-1·min^-1

③能够判断该反应达到平衡的是________(填字母) 。

a.v_逆(CO)=2v_正(H₂)

b.CO、H₂和CH₃OH三种物质的浓度相等

c.CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等

d.相同时间内消耗1molCO，同时消耗1molCH₃OH

④工业上用CO和H₂为原料制备甲醇的过程中，会有副产物二甲醚(CH₃OCH₃)生成，写出该反应的化学方程式:__________.

(2)甲醇燃料电池是目前开发最成功的燃料电池之一，这种燃料电池由甲醇、氧气、KOH溶液构成，电池总反应为2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2+ 6H₂O，其装置图下图所示。

①电极a为电池的_______(填 “正极”或“负极”)

②电极b的电极反应式:________。

③电极C的电极反应式:________。

Answer

1～2 0.25 cd 2CO+4H2→CH3OCH3+H2O 负极 O2+4e-+2H2O=4OH- 2Cl--2e-=Cl2

【解析】

(1)①由不同时间段CO物质的量的变化量多少进行判断；

②先计算出CO的平均反应速率，再根据速率之比等于化学计量数之比计算出H2的平均反应速率；

③可逆反应达到平衡状态的判断标志是原来变化的量不变了，据此分析判断；

④由甲醇与二甲醚的分子式之间的关系进行分析；

(2)甲醇燃料电池中，甲醇在负极发生氧化反应，氧气在正极发生还原反应，据此分析解答。

(1)①在5min内的几个时间段内，CO物质的量的减少量分别为：0.2mol、0.3mol、0.25mol、0.05mol、0mol，从而可以确定平均反应速率最大的时间段为CO物质的量的减少量最多的时间段，即1～2min，答案为：1～2；

②由表中数据可知，从反应开始到3 min末，CO物质的量的减少量为1.0mol-0.25mol=0.75mol，则v(CO)==0.125 mol·L-1·min-1，根据速率之比等于化学计量数之比，反应CO+2H2⇌CH3OH中氢气的平均反应速率v(H2)=2v(CO)=2×0.125 mol·L-1·min-1=0.25 mol·L-1·min-1，答案为：0.25；

③反应为CO+2H2⇌CH3OH

a. 根据反应可得出v正(H2)=2 v正(CO)，故v逆(CO)=2v正(H2)时反应没有达到平衡，a不符题意；

b. CO、H2和CH3OH三种物质的浓度相等，反应可能处于平衡状态，也可能未处于平衡状态，这与反应开始时加入的反应物的多少及反应的转化率等有关，b不符题意；

c.一定条件下，CH3OH分解的速率和CH3OH生成的速率相等，即正逆反应速率相等，可以判断反应达到平衡，c符合题意；

d. 对于反应CO+2H2⇌CH3OH，相同时间内消耗1molCO，同时消耗1molCH3OH说明正逆反应速率相等，可以判断反应达到平衡，d符合题意，答案选cd；

④1mol的二甲醚(CH3OCH3)可以看作是2mol的甲醇(CH3OH)发生分子间脱水生成，由CO+2H2⇌CH3OH可以推出用CO和H2生成副产物二甲醚的反应为：2CO+4H2→CH3OCH3+H2O，答案为：2CO+4H2→CH3OCH3+H2O；

(2)甲醇燃料电池甲醇在负极失去电子发生氧化反应，氧气在正极得到电子发生还原反应

①由图可知电极a处通入甲醇，故电极a为负极，答案为：负极；

②由图可知电极b处通入氧气，电极b为正极，氧气在正极得到电子发生还原反应，碱性条件下氧气发生的反应为：O2+4e-+2H2O=4OH-，答案为：O2+4e-+2H2O=4OH-；

③由图可知电极c与燃料电池的正极相连，所以电极c为电解池的阳极，电极c为惰性电极，电解质溶液为CuCl2溶液，所以在电极c上发生反应的是溶液里的阴离子，由于放电顺序Cl->OH-，故电极c的电极反应式为：2Cl--2e-=Cl2，答案为：2Cl--2e-=Cl2。