Question

20．能源短缺是人類社會面臨的重大問題．甲醇是一種可再生能源，具有廣泛的開發(fā)和應用前景．
（1）工業(yè)上合成甲醇的反應原理為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H，如表所列數(shù)據(jù)是該反應在不同溫度下的化學平衡常數(shù)（K）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①根據(jù)表中數(shù)據(jù)可判斷△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”），此反應較低（填“較高”或“較低”）溫度下有利于該反應自發(fā)進行．
②在300℃時，將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為1L的密閉容器中，此時反應將A．
A．向正方向移動    B．向逆方向移動    C．處于平衡狀態(tài)    D．無法判斷
③為了尋找合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，某同學設計了三組實驗，部分實驗條件已經(jīng)填在下面實驗設計的表中：
請完成此實驗條件A：150℃，D：5．

實驗編號	T（℃）	$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$	P（MPa）
1	150	$\frac{1}{3}$	0.1
2	A	B	D
3	350	C	5

（2）甲醇-空氣燃料電池（DMFC）是一種高效能、輕污染的車載電池，其工作原理如圖：
①b電極為正 極，a電極的電極反應式為：H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺．
②當電池消耗22.4LO₂（標況下）時，消耗的甲醇的質量為$\frac{64}{3}$g．

Answer 1

分析 （1）①依據(jù)平衡常數(shù)隨溫度變化分析，溫度越高平衡常數(shù)越小，說明平衡逆向進行；
②依據(jù)濃度商和平衡常數(shù)比較分析判斷反應進行的方向；
③該同學通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，據(jù)此解答；
（2）①原電池中負極上燃料失電子，酸性條件下，CH₃OH反應生成二氧化碳；
②根據(jù)總反應進行計算．

解答 解：（1）①由表中數(shù)據(jù)可知，溫度越高，平衡常數(shù)越小，說明升高溫度平衡向逆反應移動，故正反應為放熱反應，即△H＜0，根據(jù)反應自發(fā)進行的判據(jù)：△H-T△S＜0．得到此反應較低溫度下有利于該反應自發(fā)進行；
故答案為：＜；較低；
②將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為1L的密閉容器中，此時的濃度商Qc=$\frac{2}{2×{3}^{2}}$=$\frac{1}{9}$，小于0.27，故反應向正反應進行，故選：A；
③通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，由此可得：Ⅱ中溫度A為150℃，n （CO）/n（H₂）B為$\frac{1}{3}$，D為5，Ⅲ中n （CO）/n（H₂）C為$\frac{1}{3}$；
故答案為：150℃；5；
（2）①原電池放電時，甲醇失電子被氧化，a應為電池負極反應，b是負極，正極是氧氣得電子的還原反應O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，負極上是燃料甲醇失電子的氧化反應，即H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案為：正；H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺；
②燃料電池的總反應：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，當電池消耗22.4L級1molO₂（標況下）時，消耗甲醇質量是$\frac{2}{3}$mol×32g/mol=$\frac{64}{3}$g，故答案為：$\frac{64}{3}$g．

點評 本題綜合性較大，涉及化學平衡常數(shù)、反應的熱效應、原電池與電解池工作原理及計算等，難度中等，注意原電池書寫．