Question

10．甲醇（CH₃OH）作為新型汽車動(dòng)力燃料，如圖1是甲醇在工業(yè)上的制備和生活中的應(yīng)用．
請(qǐng)?zhí)羁眨?br />（1）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，反應(yīng)室2（容積為VL）中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇：CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖2所示，則：
①一定條件下的密閉容器中，該反應(yīng)到達(dá)平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率可以采取的措施是DE（填字母代號(hào)）
A．高溫高壓  B．加入催化劑  C．增加CO的濃度   D．增大氫氣的濃度 E分離出甲醇
②在壓強(qiáng)P₁、100℃時(shí)，CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$（用含a、V的代數(shù)式表示）
③將一定量的NO₂與SO₂置于絕熱恒容密閉容器中發(fā)生NO₂（g）+SO₂（g）?SO₃（g）+NO（g）上述反應(yīng)，正反應(yīng)速率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖3所示．由圖可知下列說法正確的是C（填字母）．
A．反應(yīng)在c點(diǎn)達(dá)到平衡狀態(tài)
B．反應(yīng)物濃度：a點(diǎn)小于b點(diǎn)
C．反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量
D．△t₁=△t₂時(shí)，SO₂的消耗量：a～b段大于b～c段
（2）據(jù)報(bào)道，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室已研制出在燃料電池的反應(yīng)容器中，利用特殊電極材料以H₂和O₂為原料制取過氧化氫的新工藝．原理如圖4所示：請(qǐng)寫出甲電極的電極反應(yīng)式：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂．
（3）若常溫下一定量的甲醇完全燃燒生成液態(tài)水釋放出了1451.52kJ的能量，則等質(zhì)量的甲醇燃料電池利理論上可提供12mol電子的電量．（已知甲醇的燃燒熱為725.76kJ/mol）
（4）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH （l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O （g）△H₁=-1 275.6kJ•mol^-1
②2CO （g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O （g）=H₂O （l）△H₃=-44.0kJ•mol^-1
寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖2可知，升高溫度后CO的轉(zhuǎn)化率減小，說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)；提高反應(yīng)CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）中一氧化碳的轉(zhuǎn)化率，則應(yīng)該使平衡向著正向移動(dòng)，根據(jù)影響化學(xué)平衡的因素進(jìn)行判斷；
②根據(jù)化學(xué)平衡三段式及平衡常數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算；
③該反應(yīng)反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不變，容器體積不變，故體系壓強(qiáng)恒定；絕熱恒容密閉容器，體系溫度隨反應(yīng)進(jìn)行變化，隨反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)物的濃度降低，由圖可知，c點(diǎn)以前正反應(yīng)速率增大，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，c點(diǎn)以后反應(yīng)正反應(yīng)速率降低，應(yīng)是濃度影響比溫度影響更大；圖為正反應(yīng)速率隨時(shí)間變化，說明反應(yīng)未到達(dá)平衡；
（2）燃料電池的負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，確定正負(fù)極，然后確定甲電極作氧化劑，發(fā)生還原反應(yīng)書寫電極反應(yīng)式；
（3）根據(jù)甲醇的燃燒熱計(jì)算出消耗甲醇的物質(zhì)的量，再根據(jù)化合價(jià)變化計(jì)算出轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量；
（4）根據(jù)熱化學(xué)方程式利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱并書寫熱化學(xué)方程式．

解答 解：（1）①A．根據(jù)圖2可知，升高溫度后CO的轉(zhuǎn)化率減小，所以不能高溫不利于提高CO的轉(zhuǎn)化率，故A錯(cuò)誤；  
B．加入催化劑，可以影響反應(yīng)速率，但不影響化學(xué)平衡，則CO的轉(zhuǎn)化率不變，故B錯(cuò)誤；
C．增加CO的濃度，CO的轉(zhuǎn)化率會(huì)減小，故C錯(cuò)誤；   
D．增大氫氣的濃度，平衡向著正向移動(dòng)，則CO的轉(zhuǎn)化率增大，故D正確； 
E．分離出甲醇，生成物濃度減小，平衡向著正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故E正確；
故答案為：D E；
②在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，容積為V L的密閉容器中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇．即
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
初始濃度：$\frac{a}{V}$       $\frac{2a}{V}$         0 
變化濃度：$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$        $\frac{a}{2V}$
平衡濃度：$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$        $\frac{a}{2V}$     
則該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=$\frac{\frac{a}{2V}}{（\frac{a}{2V}）×（{\frac{a}{V}）}^{2}}$=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$，
在P₁下，100℃時(shí)，CH₃OH（g）═CO（g）+2H₂（g）反應(yīng)的平衡常數(shù)和反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的K互為倒數(shù)，所以該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$，
故答案為：K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$；
③A．化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志是各物質(zhì)的濃度不再改變，其實(shí)質(zhì)是正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的正反應(yīng)速率顯然還在改變，故一定未達(dá)平衡，故A錯(cuò)誤；
B．a(chǎn)到b時(shí)正反應(yīng)速率增加，反應(yīng)物濃度隨時(shí)間不斷減小，故B錯(cuò)誤；
C．從a到c正反應(yīng)速率增大，之后正反應(yīng)速率減小，說明反應(yīng)剛開始時(shí)溫度升高對(duì)正反應(yīng)速率的影響大于濃度減小對(duì)正反應(yīng)速率的影響，說明該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即反應(yīng)物的總能量高于生成物的總能量，故C正確；
D．隨著反應(yīng)的進(jìn)行，正反應(yīng)速率越快，消耗的二氧化硫就越多，SO₂的轉(zhuǎn)化率將逐漸增大，SO₂的消耗量：a～b段小于b～c段，故D錯(cuò)誤；
故答案為：C；
（2）由圖可知，燃料電池的負(fù)極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，燃料電池中H₂作還原劑，在負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，氧氣為氧化劑在正極上發(fā)生電極反應(yīng)為2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂，
故答案為：2H⁺+O₂+2e^-=H₂O₂；
（3）已知甲醇的燃燒熱為725.76kJ/mol，若常溫下一定量的甲醇完全燃燒生成液態(tài)水釋放出了1451.52kJ的能量，則消耗甲醇的物質(zhì)的量為：$\frac{1451.52kJ}{725.76kJ/mol}$=2mol，甲醇中C元素的化合價(jià)為-2價(jià)，反應(yīng)后生成+4價(jià)的二氧化碳，則則等質(zhì)量的甲醇燃料電池利理論上可提供電子的物質(zhì)的量為：2mol×[4-（-2）]=12mol，
故答案為：12；
（4）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
依據(jù)蓋斯定律①-②+③×4得到甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式：2CH₃OH（l）+2O₂（g）=2CO （g）+4H₂O（l）△H=-885.6KJ/mol；
得到熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol；
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO （g）+2H₂O（l）△H=-442.8KJ/mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了較為綜合，涉及原電池原理、蓋斯定律在熱化學(xué)方程式中的應(yīng)用、化學(xué)平衡及其影響、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算等知識(shí)，注意對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的把握，試題知識(shí)點(diǎn)較多、綜合性較強(qiáng)，充分考查學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．