Question

3．氫是未來最好的能源選擇，制取氫氣的成熟的方法有很多，利用甲醇可以與水蒸氣反應生成氫氣，反應方程式如下：CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H（298K）=+49.4kJ/mol，一定條件下，向容積為2L的恒容密閉容器中充入1mol CH₃OH（g）和3mol H₂O（g），實驗測得：達到平衡狀態(tài)時，吸收熱量19.76kJ．則
（1）達平衡時混合氣體的壓強是反應前的1.2倍．
（2）該條件下的該反應的平衡常數(shù)是0.11（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）．
（3）該條件下反應達平衡狀態(tài)的依據(jù)是（填序號）D．
A．v_正（CH₃OH）=v_正（CO₂）  B．混合氣體的密度不變
C．c（CH₃OH）=c（H₂O）     D．混合氣體的總物質(zhì)的量不變
（4）甲醇直接燃料電池電解質(zhì)為酸性，負極反應為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，該電池的理論輸出電壓為1.18V，能量密度E=5.92 kW•h•kg^-1（列式計算，結(jié)果保留兩位小數(shù)）（能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kW•h=3.6×10⁶J，一個電子的電量為1.6×10^-19C，N_A=6.02×10²³mol^-1）

Answer 1

分析 （1）吸熱19.76KJ，據(jù)方程式可以求得，反應的n（CH₃OH）=$\frac{17.96kJ}{49.4kJ/mol}$=0.4mol，則
              CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H（298K）=+49.4kJ/mol
反應前（mol）   1         3        0        0
反應了（mol）  0.4        0.4     0.4     1.2
平衡后（mol）  0.6        2.6      0.4     1.2
恒溫恒容下，氣體的壓強之比等于物質(zhì)的量之比，據(jù)此計算反應前后壓強之比；
（2）利用三段式法計算出平衡時的濃度，K=$\frac{生成物濃度冪之積}{反應物濃度冪之積}$；
（3）平衡狀態(tài)時正逆反應速率相等，反應體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量不變、物質(zhì)的量濃度不變、百分含量不變以及由此引起的一系列物理量不變；
（4）甲醇燃料酸性電池中，負極上甲醇失電子和水反應生成二氧化碳和氫離子；
計算1Kg甲醇輸出的電能，結(jié)合能量密度公式計算．

解答 解：（1）吸熱19.76KJ，據(jù)方程式可以求得，反應的n（CH₃OH）=$\frac{17.96kJ}{49.4kJ/mol}$=0.4mol，則
              CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H（298K）=+49.4kJ/mol
反應前（mol）   1         3        0        0
反應了（mol）  0.4        0.4     0.4     1.2
平衡后（mol）  0.6        2.6      0.4     1.2
平衡后，混合氣體的壓強是原來的$\frac{（0.6+2.6+0.4+1.2）mol}{（1+3）mol}$=1.2，
故答案為：1.2；
（2）K=$\frac{生成物濃度冪之積}{反應物濃度冪之積}$=$\frac{1．{2}^{3}×0.4}{0.6×2.6}$≈0.11，
故答案為：0.11；
（3）A、反應方向相同，無論是否達到平衡狀態(tài)都存在v_正（CH₃OH）=v_正（CO₂），不能據(jù)此判斷平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B、體積不變，反應物和生成物都是氣體，所以密度永遠不變，不能據(jù)此判斷平衡狀態(tài)，故B錯誤；
C、甲醇和水蒸氣濃度相等，決定于加入的量，與是否平衡無關，不能據(jù)此判斷平衡狀態(tài)，故C錯誤；
D、反應前后氣體體積不同，氣體總物質(zhì)的量不變說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態(tài)，故D正確；
故選D；
（4）負極上甲醇失電子和水反應生成二氧化碳和氫離子，電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，
1Kg甲醇輸出的電能：w=UIt=Uq=1.18×1000/32×6×6.02×10²³×1.602×10^-19J
=2.1699×10⁷ J
=2.1337×10⁷/3.6×10⁶kW•h
=5.92 kW•h
甲醇直接燃料電池能量密度E=5.92kW•h•kg^-1．
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺；5.92．

點評 本題考查化學平衡計算、原電池原理、化學平衡狀態(tài)判斷等知識點，為高頻考點，知道三段式法在化學平衡計算中的靈活運用，只有反應前后改變的物理量才能作為平衡狀態(tài)判斷依據(jù)，難點是（4）題計算，計算量較大，且與物理知識靈活考查，難點較大．