燃料电池答案解析

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甲醇是一种重要的化工原料和新型燃料．
Ⅰ．工业上一般以CO和H₂为原料在密闭容器中合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）⇌CH₃OH（g）△H=-90.8KJ/mol
（1）在容积为1L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律．如图1是上述三 种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质 的量均为1mol）与CO平衡转化率的关系，则曲线X对应的 温度是

 

图中a点对应的平衡常数K=

 

．
（2）某温度下，将1mol CO和3mol H₂充入1L的密闭容器中，充分反应后，达到平衡时 c（CO）=0.1mol/L．若保持温度和体积不变，将起始物质的物质的量改为a mol CO、b mol H₂，c mol CH₃OH，欲使开始时该反应向逆反应方向进行，c的取值范围是

 

．
Ⅱ．图2是甲醇燃料电池工作的示意图，其中A、B、D均为石墨电极，C为铜电极．工作一段时间后，断开K，此时A，B两极上产生的气体体积相同．
（3）甲中负极的电极反应式为

 

，
（4）乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为

 

．．
（5）丙装置溶液中金属阳离子的物质的量与转移电子的物质的量变化关系如图3，则图中②线表示的是

 

离子的变化；反应结束后，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要

 

 mL 5.0moL/L NaOH 溶液．

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偏二甲肼与N₂O₄是常用的火箭推进剂，二者发生如下化学反应：
（CH₃）₂NNH₂（l）+2N₂O₄（1）=2CO₂（g）+3N₂（g）+4H₂O（g）　（I）
（1）反应（I）中氧化剂是

 

．
（2）火箭残骸中常现红棕色气体，原因为：N₂O₄（g）═2NO₂（g） （Ⅱ）
当温度升高时，气体颜色变深，则反应（Ⅱ）为

 

（填“吸热”或“放热”）反应．
（3）一定温度下，反应（Ⅱ）的焓变为△H．现将1molN₂O₄充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是

 

．

若在相同温度下，上述反应改在体积为1L的恒容密闭容器中进行，平衡常数

 

（填“增大”、“不变”或“减小”），反应3s后NO₂的物质的量为0.6mol，则0～3s的平均反应速率v（N₂O₄）=

 

mol•L^-1•s^-1．
（4）硝酸厂的尾气中含NO₂和NO，直接排放将污染空气．目前科学家探索利用燃料气体中的甲烷等将氮的氧化物还原为氮气和水，反应机理为：
CH₄（g）+4NO₂（g）=4NO（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-574kJ•mol^-1
CH₄（g）+4NO（g）=2N₂（g）+CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-1160kJ•mol^-1
则甲烷直接将NO₂还原为N₂的热化学方程式为：

 

．
（5）氨气在纯氧中燃烧，也可生成上述反应（I）产物中的两种．科学家利用此原理，设计成氨气-氧气燃料电池，则通入氨气的电极是

 

（填“正极”或“负极”）；碱性条件下，该电极发生反应的电极反应式为

 

．

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（2011•漳州一模）甲醇-空气燃料电池（DMFC）是一种高效能、轻污染的车载电池，其工作原理如图．下列有关叙述正确的是（　　）

A．H⁺从正极区通过交换膜移向负极区

B．负极的电极反应式为：CH₃OH（l）+H₂O（l）-6e^-=CO₂（g）+6H⁺

C．d导出的是CO₂

D．图中b、c分别是O₂、甲醇

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（1）一定温度下，向某容积固定的容器中加入NH₄I固体，发生如下反应：
①NH₄I（s）⇌NH₃（g）+HI（g）         ②2HI（g）⇌H₂（g）+I₂（g）
达到平衡时测得HI和H₂物质的量浓度分别为4mol•L^-1和1mol•L^-1．则反应①的化学平衡常数K=

 

．
（2）实验室用Zn和稀硫酸反应制取H₂，反应过程中水的电离平衡

 

移动（填“向左”、“向右”或“不”）．
（3）Cu与稀硫酸不能自发反应产生H₂，为了使反应2H⁺+Cu═Cu²⁺+H₂↑能进行，请设计一个合适的实验方案，在方框中画出实验装置图（不书写方案，只要求画出装置图）．
（4）近年来，在化学电源的研究方面取得了一些重要成果，燃料电池就是其中一项．已知2.3g液态乙醇在室温时完全燃烧放出的热量为68.4kJ，则该条件下乙醇燃烧的热化学方程式为

 

．若将乙醇的燃烧反应设计成原电池装置，能量的利用率会更高，当电解质溶液为氢氧化钾溶液时，负极的电极反应式为．
（5）室温时，在0.10mol•L^-1硫酸铜溶液中加入氢氧化钠稀溶液充分搅拌有浅蓝色氢氧化铜沉淀生成，当溶液的pH=8时，c（Cu²⁺）=

 

mol•L^-1（室温时Ksp[Cu（OH）₂]=2.2×10^-20）．

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在高温高压下CO具有极高的化学活性，能与多种单质或化合物反应．
（1）若在恒温恒容的容器内进行反应C（s）+H₂O（g）⇌CO（g）+H₂（g），则可用来判断该反应达到平衡状态的标志有

 

．（填字母）
a．容器内的压强保持不变            
b．容器中H₂浓度与CO浓度相等
c．容器中混合气体的密度保持不变    
d．CO的生成速率与H₂的生成速率相等
（2）CO一空气燃料电池中使用的电解质是搀杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它在高温下能传导O²．该电池负极的电极反应式为

 

．
（3）一定条件下，CO与H₂可合成甲烷，反应方程式为：CO（g）+3H₂（g）⇌CH₄（g）+H₂O（g）
①一定条件下，该反应能够自发进行的原因是

 

．
②已知H₂（g）、CO（g）和 CH₄（g）的燃烧热分别为285.8kJ•mol^-1、283.0kJ•mol^-1和890，0kJ•mol^-1．
写出CO与H₂反应生成CH₄和CO₂的热化学方程式：

 

．
（4）工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，反应方程式为：CH₃OH（g）+CO（g）

催化剂

△

HCOOCH₃（g）△H=-29.1kJ•mol^-1．科研人员对该反应进行了研究．部分研究结果如图所示：
①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率“看，工业制取甲酸甲酯应选择的压强是

 

．
②实际工业生产中采用的温度是80℃，其理由是

 

．

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工业上常用Fe做电极电解处理含Cr₂O₇^2-的酸性废水，最终使铬元素以Cr（OH）₃沉淀的形式除去．某科研小组用该原理处理污水，设计装置如图所示．下列说法不正确的是（　　）

A、燃料电池中若有1.6 g CH₄参加反应，则甲中C电极理论上生成气体体积为8.96L

B、实验时若污水中离子浓度较小，导电能力较差，可加入适量的Na₂SO₄

C、该燃料电池正极的电极反应式为：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-

D、甲中阳极附近溶液中的离子反应方程式是：Cr₂O₇^2-+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O

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氢氧燃料电池是符合绿色化学理念的新型 发电装置．如图为电池示意图，该电池电极表面镀一层细小的铂粉，吸附气体的 能力强，性质稳定，请回答：
（1）氢氧燃料电池的能量转化形式主要是

化学能转化为电能

化学能转化为电能

，在导线中电子流动方向为

从a到b

从a到b

（用a、b表示）．
（2）通H₂的为

负

负

极
（3）电极表面镀铂粉的原因为

增大气体的吸附面积，保证气体充分参与电极反应

增大气体的吸附面积，保证气体充分参与电极反应

．

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用酸性氢氧燃料电池电解苦卤水 （含Cl^-、Br^-、Na⁺、Mg²⁺）的装置如图所示（a、b为石墨电极）．下列说法中，正确的是（　　）

A、电池工作时，正极反应式为：O2+2H2O+4e-?4OH-

B、电解时，a 电极周围首先放电的是Br-而不是Cl-，说明当其它条件相同时前者的还原性强于后者

C、电解时，电子流动路径是：负极→外电路→阴极→溶液→阳极→正极

D、忽略能量损耗，当电池中消耗0.02g H2时，b 极周围会产生0.02g H2

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非金属元素氮有多种氧化物，如NO、NO₂、N₂O₄等．
（1）对反应N₂O₄（g）⇌2NO₂（g），△H=+57kJ•mol^-1在温度为T₁、T₂时，平衡体系中NO₂的体积分数随压强变化曲线如图所示．
下列说法正确的是

 

a．A、C两点的反应速率：A＞C
b．B、C两点的气体的平均相对分子质量：B＜C
c．A、C两点气体的颜色：A深，C浅
d．由状态B到状态A，可以用加热的方法
（2）在100℃时，将0.400mol的NO₂气体充入2L抽空的密闭容器中，每隔一定时间就对该容器内的物质进行分析，得到如下表数据：

时间（s）	0	20	40	60	80
n（NO2）/mol	0.40	n1	0.26	n3	n4
n（N2O4）/mol	0.00	0.05	n2	0.08	0.08

①在上述条件下，从反应开始直至20s时，二氧化氮的平均反应速率为

 

．
②已知100℃反应2NO₂⇌N₂O₄的平衡常数K=2.8．若该温度下某时刻测得c（NO₂）=1.00mol/L，c（N₂O₄）=0.20mol/L，则该时刻的v_正

 

v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）；升高温度后，平衡常数K将

 

（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③若在相同情况下最初向该容器只充入的是N₂O₄气体，要达到上述同样的平衡状态，N₂O₄的起始浓度是

 

mol•L^-1．
④计算在题③的条件下达到平衡后混合气体的平均相对分子质量为

 

．（结果保留小数点后一位）
（3）肼（N₂H₄）通常是航天航空的重要燃料，我们常用的一种肼燃料电池，是以肼与氧气的反应为原理设计的（N₂H₄+O₂=N₂+2H₂O），其电解质溶液是KOH溶液．写出该电池负极的电极反应式

 

．

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下列化学用语书写不正确的是（　　）

A、向硫酸铝铵[NH₄Al（SO₄）₂]溶液中滴加足量Ba（OH）₂溶液NH₄⁺+Al³⁺+2SO₄^2-+2Ba²⁺+5OH^-=AlO₂^-+2BaSO₄↓+NH₃↑+3H₂O

B、甲醇、氧气和氢氧化钾溶液组成的燃料电池的负极反应CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O

C、示踪原子法研究乙酸与乙醇酯化反应：

D、表示乙烷燃烧热的热化学方程式：2C₂H₆（g）+7O₂（g）→4CO₂（g）+6H₂O（l）△H=-3121.6kJ/mol

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RFC是一种将水电解技术与氢氧燃料电池技术相结合的可充电电池．如图为RFC工作原理示意图，下列有关说法正确的是（　　）

A、图1把化学能转化为电能，图2把电能转化为化学能，水得到了循环使用

B、当有0.1 mol电子转移时，a极产生0.56 L O₂（标准状况下）

C、c极上发生的电极反应是：O₂+4H⁺+4e^-?2H₂O

D、图2中电子从c极流向d极，提供电能

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（2012•宜春模拟）单质A与粉末化合物B组成的混合物相互转化关系如下图所示：

请回答下列问题：
（1）A单质的元素在周期表中处于

第三周期 IIIA族

第三周期 IIIA族

．
（2）D与G两溶液混合后发生反应的离子方程式为

Al³⁺+3AlO₂^-+6H₂O=4Al（OH）₃↓

Al³⁺+3AlO₂^-+6H₂O=4Al（OH）₃↓

．
（3）常温下，D溶液的pH

＜

＜

7（填“＞”或“＜”或”=”），其原因是

Al³⁺+3H₂O Al（OH）₃+3H⁺

Al³⁺+3H₂O Al（OH）₃+3H⁺

（用离子方程式表示）．
（4）用碳棒、稀硫酸、气体E和气体F组成燃料电池，该电池的正极反应式为

O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O

O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O

．

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二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世纪的新型能源，是一种高效、清洁能源．
Ⅰ．工业制备二甲醚的生产流程如下：
催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230～280℃）发生如下反应：
①CO（g）+2H₂（g）⇌CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）⇌CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）⇌CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
（1）二甲醚也可以通过天然气和CO₂合成制得，该反应的化学方程式为

3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃

3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃

．
（2）催化反应室中总反应3CO（g）+3H₂（g）⇌CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

-246.1kJ/mol

-246.1kJ/mol

，830℃时反应③的K=1.0，则在催化反应室中反应③的K

＞

＞

1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）在温度相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒压，发生反应②，测得反应达到平衡时的有关数据如下．

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	1mol CH3OCH3、1mol H2O	2mol CH3OH	1mol CH3OH
CH3OH的浓度（mol/L）	c1	c2	c3
反应的能量变化	吸收a kJ	放出b kJ	放出c kJ
平衡时体积（L）	V1	V2	V3
反应物转化率	α 1	α 2	α 3

下列说法正确的是

A、B、C

A、B、C

．（填字母序号）
A．a+2c=23.5        B．α₁+α₂=1        C．V₁＞V₃       D．c₁=2c₃
（4）上述生产流程中，可以循环使用的物质有

甲醇和水、CO和H₂

甲醇和水、CO和H₂

．
Ⅱ．用二甲醚-空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（如图），在接通电路一段时间纯Cu质量增加3.2g．

（5）请写出燃料电池中的负极反应式：

CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O

CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O

．
（6）燃料电池正极消耗标准状况下空气的体积是

2.8L

2.8L

（空气中O₂体积分数以20%计算）．

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以多孔的铂为电极，采用下图装置在两极分别通入CH₄和0₂，使其在KOH溶液中发生反应产生电流，经测定，电子运动方向由a到b．下列叙述正确的是（　　）

A、燃料电池是利用原电池原理将燃料和氧化剂反应所放出的化学能直接转化为电能

B、总反应的化学方程式为CH₄+20₂→C0₂+2H₂0

C、若标况下消耗2.24 L氧气，则溶液中转移0.4 mol电子

D、溶液中的K⁺向A极移动

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如图所示，用甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型燃料电池做电源，对A、B装置通电一段时间后，发现有1.6g甲醇参加反应且③电极增重（假设工作时无能量损失）．
请回答下列问题：
（1）分别指出F电极、②电极的名称

正极

正极

、

阳极

阳极

．
（2）④电极的反应式：

Ag-e^-=Ag⁺

Ag-e^-=Ag⁺

．E电极的反应式：

CH₃OH+8OH^--6e^-═CO₃^2-+6H₂O

CH₃OH+8OH^--6e^-═CO₃^2-+6H₂O

．
①电极上产生的实验现象是

先有红色固体析出，后有气泡产生

先有红色固体析出，后有气泡产生

．
（3）若A池中原混合液的体积为500mL，CuSO₄、K₂SO₄浓度均为0.1mol/L，电解过程中A池中共收集到标准状况下的气体

3.92

3.92

L．

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