Question

17．甲醇是一種新型的汽車動(dòng)力燃料，工業(yè)上可通過(guò)CO和H₂化合來(lái)制備甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
（1）在容積固定為2L的密閉容器內(nèi)充入1mol CO和2mol H₂，加入 催化劑后在250℃開始反應(yīng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．
容器中M、N兩點(diǎn)氣體的物質(zhì)的量之比為5：4．
M、N、Q三點(diǎn)的平衡常數(shù)K_M、K_N、K_Q的大小關(guān)系為K_M=K_N＞K_Q．
（2）通過(guò)壓力計(jì)監(jiān)測(cè)上述容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化如下：

反應(yīng)時(shí)間/min	0	5	10	15	20	25
壓強(qiáng)/Mpa	12.6	10.8	9.5	8.7	8.4	8.4

則從反應(yīng)開始到20min時(shí)，以CO表示的平均反應(yīng)速率為0.0125mol/（L．min），該溫度下平衡常數(shù)K=4．
（3）下列描述中能說(shuō)明上述反應(yīng)已達(dá)平衡狀態(tài)的是BC．
A．2v（H₂）_正=v（CH₃OH）_逆
B．容器內(nèi)氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變
C．容器中氣體的壓強(qiáng)保持不變
D．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol CO的同時(shí)生成2n mol H₂
（4）25℃時(shí)以甲醇燃料電池（電解質(zhì)溶液為稀硫酸）為電源電解300mL NaCl溶液，正極反應(yīng)式為O₂+4 H⁺+4 e^-=2 H₂O．在電解一段時(shí)間后，NaCl溶液的pH變?yōu)?3（假設(shè)NaCl溶液的體積不變），則理論上消耗甲醇的物質(zhì)的量為0.005mol．

Answer 1

分析 （1）M點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的CO為0.5mol，由方程式可知?dú)怏w物質(zhì)的量減小0.5mol×2=1mol，混合氣體總物質(zhì)的量為（1+2-1）mol=2mol，N點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為70%，則轉(zhuǎn)化的CO為0.7mol，由方程式可知?dú)怏w物質(zhì)的量減小0.7mol×2=1.4mol，混合氣體總物質(zhì)的量為（1+2-1.4）mol=1.6mol；
由圖可知，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，平衡常數(shù)知識(shí)溫度影響，溫度相同平衡常數(shù)相同；
（2）由表中數(shù)據(jù)可知，20min時(shí)處于平衡狀態(tài)，設(shè)轉(zhuǎn)化的CO為x，則：
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始量（mol）：1      2         0
變化量（mol）：x      2x        x
平衡量（mol）：1-x    2-2x      x
壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為（1mol+2mol）×$\frac{8.4MPa}{12.6MPa}$=（1-x+2-2x）+x）mol，解得x=0.5，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO），而平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
（3）A．不同物質(zhì)表示正逆速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，反應(yīng)到達(dá)平衡；
B．正向是氣體物質(zhì)的量減小的方向，而反應(yīng)前后氣體總的質(zhì)量是不變的，只要是正向移動(dòng)，混合氣體的摩爾質(zhì)量就會(huì)增大；
C．正向是氣體物質(zhì)的量減小的方向，隨反應(yīng)進(jìn)行，壓強(qiáng)減小，壓強(qiáng)不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
D．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol CO的同時(shí)生成2n mol H₂，均表示逆反應(yīng)速率，反應(yīng)始終存在該比例關(guān)系；
（4）正極上發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極獲得電子，酸性條件下生成水，電解NaCl溶液發(fā)生反應(yīng)：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，在電解一段時(shí)間后，NaCl溶液的pH變?yōu)?3，則NaOH濃度為0.1mol/L，故生成NaOH為0.3L×0.1mol/L=0.03mol，燃料電池中甲醇氧化生成二氧化碳，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算理論上消耗甲醇的物質(zhì)的量．

解答 解：（1）M點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的CO為0.5mol，由方程式可知?dú)怏w物質(zhì)的量減小0.5mol×2=1mol，混合氣體總物質(zhì)的量為（1+2-1）mol=2mol，N點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為70%，則轉(zhuǎn)化的CO為0.7mol，由方程式可知?dú)怏w物質(zhì)的量減小0.7mol×2=1.4mol，混合氣體總物質(zhì)的量為（1+2-1.4）mol=1.6mol，容器中M、N兩點(diǎn)氣體的物質(zhì)的量之比為2mol：1.6mol=5：4；
M、N兩點(diǎn)溫度相同，則K_M=K_N、K_Q，圖可知，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，Q點(diǎn)的溫度比M、N高，故平衡常數(shù)K_M=K_N＞K_Q，
故答案為：5：4；K_M=K_N＞K_Q；
（2）由表中數(shù)據(jù)可知，20min時(shí)處于平衡狀態(tài)，設(shè)轉(zhuǎn)化的CO為x，則：
             CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始量（mol）：1      2          0
變化量（mol）：x      2x         x
平衡量（mol）：1-x    2-2x        x
壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，則平衡時(shí)混合氣體總物質(zhì)的量為（1mol+2mol）×$\frac{8.4MPa}{12.6MPa}$=（1-x+2-2x）+x）mol，解得x=0.5，
則v（CO）=$\frac{\frac{0.5mol}{2L}}{20min}$=0.0125mol/（L．min），
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.5}{2}}{\frac{1-0.5}{2}×（\frac{2-0.5×2}{2}）^{2}}$=4，
故答案為：0.0125mol/（L．min）；4；
（3）A．不同物質(zhì)表示正逆速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，反應(yīng)到達(dá)平衡，應(yīng)是v（H₂）_正=2v（CH₃OH）_逆表示反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．正向是氣體物質(zhì)的量減小的方向，而反應(yīng)前后氣體總的質(zhì)量是不變的，只要是正向移動(dòng)，混合氣體的摩爾質(zhì)量就會(huì)增大，反之會(huì)減小，故混合氣體摩爾質(zhì)量不變可以說(shuō)明到達(dá)平衡，故正確；
C．正向是氣體物質(zhì)的量減小的方向，隨反應(yīng)進(jìn)行，壓強(qiáng)減小，壓強(qiáng)不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡，故正確；
D．單位時(shí)間內(nèi)生成n mol CO的同時(shí)生成2n mol H₂，均表示逆反應(yīng)速率，反應(yīng)始終存在該比例關(guān)系，故錯(cuò)誤，
故選：BC；
（4）正極上發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極獲得電子，酸性條件下生成水，電極反應(yīng)式為：O₂+4 H⁺+4 e^-=2 H₂O，
電解NaCl溶液發(fā)生反應(yīng)：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑，在電解一段時(shí)間后，NaCl溶液的pH變?yōu)?3，則NaOH濃度為0.1mol/L，故生成NaOH為0.3L×0.1mol/L=0.03mol，則生成氯氣為0.015mol，燃料電池中甲醇氧化生成二氧化碳，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，理論上消耗甲醇的物質(zhì)的量為$\frac{0.015mol×2}{6}$=0.005mol．
）故答案為：O₂+4 H⁺+4 e^-=2 H₂O；0.005mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡的有關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡影響因素、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、電化學(xué)等，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難度中等．