Question

12．甲醇是一種重要的可再生能源．
（1）已知：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
寫出由CH₄和O₂制取CH₃OH（g）的熱化學(xué)方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol．
（2）反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的平衡常數(shù)K的表達(dá)式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
圖1是反應(yīng)時(shí)CO和CH₃OH（g）的物質(zhì)的量濃度隨時(shí)間（t）的變化曲線．從反應(yīng)開始至達(dá)到平衡時(shí)，用H₂表示的反應(yīng)速率v（H₂）=0.15mol/（L．min）．
（3）在一容積可變的密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，發(fā)生反應(yīng)并達(dá)到平衡，CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化曲線如圖2所示．
①能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是BD（填選項(xiàng)字母）．
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的體積分?jǐn)?shù)不再改變
C．H₂的轉(zhuǎn)化率和CO的轉(zhuǎn)化率相等
D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變
②比較A、B兩點(diǎn)壓強(qiáng)大小：P（A）＜P（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
③比較K_A、K_B、K_C的大小：K_A=K_B＞K_C．
（4）以甲醇為燃料，O₂為氧化劑，KOH溶液為電解質(zhì)溶液，可制成燃料電池（電極材料為惰性電極）．若KOH溶液足量，寫出燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，由已知方程式構(gòu)建目標(biāo)方程式可得到CH₄與O₂反應(yīng)生成CH₃OH的熱化學(xué)反應(yīng)方程式；
（2）根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，列出平衡常數(shù)的表達(dá)式；根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）計(jì)算；
（3）①平衡標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各成分濃度保持不變分析判斷選項(xiàng)；
②正反應(yīng)方向?yàn)闅怏w體積減小的方向，T₁℃時(shí)比較CO的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率越大，則壓強(qiáng)越大；
③平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，A、B兩點(diǎn)溫度相同，平衡常數(shù)相同，由圖可知，溫度T₁＜T₂，平衡時(shí)B點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率更高，則降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，K值增大；
（4）燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)是燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，據(jù)此書寫．

解答 解：（1）①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol；
（2）化學(xué)平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，反應(yīng)物的生成物都是氣體，故平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
υ（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），故υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=0.15mol/（L．min），
故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；0.15mol/（L．min）；
（3）A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，都是指正反應(yīng)方向，不能說明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故A錯(cuò)誤；
B．H₂的體積分?jǐn)?shù)不再改變是化學(xué)平衡的特征，達(dá)到了平衡，故B正確；
C．體系中H₂的轉(zhuǎn)化率和CO的轉(zhuǎn)化率相等，不能說明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故C錯(cuò)誤；
D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量等于質(zhì)量和物質(zhì)的量的比值，物質(zhì)的量變化，質(zhì)量不變，所以當(dāng)體系中氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變，證明達(dá)到了平衡，故D正確；
故選BD；
②正反應(yīng)方向?yàn)闅怏w體積減小的方向，T₁℃時(shí)比較CO的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率越大，則壓強(qiáng)越大，圖象中P_B轉(zhuǎn)化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案為：＜；
③平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，A、B兩點(diǎn)溫度相同，平衡常數(shù)相同，則K_A=K_B；由圖可知，B、C兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，平衡時(shí)B點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率更高，又溫度T₁＜T₂，則降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，K值增大，則K_B＞K_C，故答案為：K_A=K_B＞K_C；
（4）燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)是燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，所以負(fù)極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了熱化學(xué)方程式的書寫、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷、平衡的計(jì)算以及燃料電池中電極反應(yīng)的書寫知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，難度大．