Question

（1）2009年，长春应用化学研究所在甲醇燃料电池技术上获得新突破，原理如图所示．
①请写出从C口通入O₂发生的电极反应式

O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O

．
②以石墨电极电解饱和食盐水，电解开始后在

阴极

的周围（填“阴极”或“阳极”）先出现红色．假设电池的理论效率为80%（电池的理论效率是指电池产生的最大电能与电池反应所释放的全部能量之比），若消耗6.4g甲醇气体，外电路通过的电子个数为

5.8×10²³

（保留两位有效数字）．
（2）合成氨所需的氢气可用煤和水作原料经多步反应制得，其中的一步反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H＜0，200℃时，该反应的平衡常数为1/2.25，该温度下，将一定量的CO和H₂O 投入某10L密闭容器，5min时达平衡，各物质浓度（mol?L^-1）变化如下：

	0min	5min	10min
CO	0.01		0.0056
H2O	0.01		0.0156
CO2	0		0.0044
H2	0		0.0044

①请分别计算CO和CO₂的平衡浓度

0.006 mol?L^-1

，

0.004 mol?L^-1

．
②CO的平衡转化率为

40%

，欲提高CO的转化率，下列措施中可行的是

be

（填序号）．
 a．增加压强 b．降低温度  c．体积不变，再充入CO  d．更换催化剂  e．体积不变，再充入0.1molH₂O
③若5min～10min只改变了某一条件，该条件是

H₂O的浓度

，如何改变的

增大了0.01 mol?L^-1

．

Answer 1

分析：（1）①依据燃料电池的反应原理是燃料燃烧的氧化还原反应，燃料在负极上发生氧化反应；氧气再正极发生还原反应；结合电解质环境书写电极反应；
②以石墨电极电解饱和食盐水，电解开始后阴极附近氢离子放电，溶液呈碱性使酚酞变红；依据甲醇燃料电池的反应，结合电池的理论效率，利用电子转移进行计算；
（2）①根据化学平衡的三段式计算，结合平衡常数进行计算得到平衡浓度；
②转化率=

消耗量

起始量

×100%；提高CO的转化率可以使平衡正向进行，增大水蒸气的浓度；
③和平衡浓度比较分析判断条件的改变；

解答：解：（1）①根据装置可以知道d出生成大量的水，所以e电极是通入的氧气，反应环境是酸性溶液，发生电极反应为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
②以石墨电极电解饱和食盐水，电解开始后阴极附近氢离子放电，溶液呈碱性使酚酞变红；当6.4g甲醇完全反应生成CO₂时，根据反应2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g），当消耗甲醇2mol时，转移电子为12mol，所以当6.4g甲醇即0.2mol甲醇完全反应生成CO₂时，转移电子是1.2mol，电池的理论效率为80%，则外电路通过的电子个数=1.2mol×80%×6.02×10²³=5.8×10²³；
故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；5.8×10²³；
（2）①依据化学平衡计算，设一氧化碳消耗浓度为x
                 CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L） 0.01     0.01      0        0
变化量（mol/L）  x        x        x        x
平衡量（mol/L）0.01-x    0.01-x    x        x
K=

[CO2][H2]

[ CO][H2O]

=

x2

(0.01-x)2

=1/2.25；
得到x=0.004mol/L
CO和CO₂的平衡浓度分别为：0.006 mol?L^-1； 0.004 mol?L^-1；
②CO的平衡转化率=

x

0.01

×100%=

0.004

0.01

×100%=40%
欲提高CO的转化率，下列措施中可行的是：
a．反应是气体体积不变的反应，增加压强，平衡不动，故不符合；
b．反应是放热反应，降低温度，平衡正向进行，一氧化碳的转化率增大，故符合
c．体积不变，再充入CO，一氧化碳转化率减小，故不符合；
d．更换催化剂对平衡无影响，故不符合；
e．体积不变，再充入0.1molH₂O，平衡正向进行，一氧化碳转化率增大，故符合；
故选：be；
故答案为：0.006 mol?L^-1； 0.004 mol?L^-1；40%；be；
③若5min～10min只改变了某一条件，依据平衡浓度和10min的浓度比较可知，是改变了H₂O的浓度，水的浓度增大了0.01 mol?L^-1或 H₂O的物质的量，增大了0.1mol；
故答案为：H₂O的浓度，水的浓度增大了0.01 mol?L^-1或 H₂O的物质的量，增大了0.1mol；

点评：本题考查了燃料电池的反应原理和电极判断，电极原理的应用和电子守恒的计算应用，电极反应判断，化学平衡的三段式计算，平衡常数的计算应用，转化率的计算和影响因素的分析，题目综合性较大．