Question

10．甲醇合成反應及其能量變化如圖1所示：
（1）寫出合成甲醇的熱化學方程式：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1．
（2）實驗室在1L的密閉容器中進行模擬上述甲醇合成實驗．將1mol CO和2mol H₂通入容器中，分別恒溫在300℃和500℃反應，每隔一段時間測得容器內CH₃OH的濃度如下表所示：

時間 濃度（mol?L-1） 溫度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

①下列措施中有利于增大上述反應的反應速率的是cd（填字母序號）．
a．隨時將CH₃OH與反應混合物分離          b．降低反應溫度
c．增大體系壓強                           d．使用高效催化劑
②在300℃反應開始10min內，H₂的平均反應速率為υ（H₂）=0.08 mol?L^-1?min^-1．
③在500℃達到平衡時，平衡常數(shù)K=25．
④在另一體積不變的密閉容器中，充入1.2mol CO和2.0mol H₂，在一定條件下達到平衡，測得容器中壓
強為起始壓強的一半，該條件下H₂的轉化率為80%．
（3）乙醇燃料電池具有很高的實用價值．圖2所示是一種酸性燃料電池酒精檢測儀，具有自動吹氣流量偵測與控制的功能，非常適合進行現(xiàn)場酒精檢測．則該電池的負極反應式為CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）由圖可知，1molO（g）、2molH₂（g）合成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ；
（2）①加入催化劑、升高溫度、增大壓強、增大物質濃度等均可以增大反應速率；
②根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算υ（CH₃OH），再利用速率之比等于化學計量數(shù)之比計算υ（H₂）；
③在500℃時，40min達到平衡，計算平衡時各組分濃度，代入平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算；
④恒溫恒容下，利用壓強之比等于物質的量之比計算平衡時混合氣體總物質的量，再利用差量法計算參加反應氫氣物質的量，進而計算H₂的轉化率；
（3）負極發(fā)生氧化反應，由示意圖可知，乙醇在負極失去電子得到乙酸，由元素守恒應有水參與反應，由電荷守恒應生成氫離子，氫離子通過質子交換膜，與正極的氧離子結合生成水．

解答 解：（1）由圖可知，1molO（g）、2molH₂（g）合成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1；
（2）①a．隨時將CH₃OH與反應混合物分離，生成物濃度減小，反應速率減慢，故a錯誤；
b．降低反應溫度，反應速率減慢，故b錯誤；
c．反應各組分均為氣體，增大體系壓強，反應速率加快，故c正確；
d．使用高效催化劑，降低活化能，反應速率加快，故d正確，
故選：cd；
②在300℃反應開始10min內，υ（CH₃OH）=$\frac{0.4mol/L}{10min}$=0.04 mol?L^-1?min^-1，速率之比等于化學計量數(shù)之比，則υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=0.08 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.08 mol?L^-1?min^-1；
③在500℃時，40min達到平衡，平衡時甲醇濃度為0.8mol/L，則：
              CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始量（mol/L）：1      2         0
轉化量（mol/L）：0.8    1.6       0.8
平衡量（mol/L）：0.2    0.4       0.8
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，
故答案為：25；
④恒溫恒容下，壓強之比等于物質的量之比，故平衡時混合氣體總物質的量為（1.2mol+2mol）×$\frac{1}{2}$=1.6mol，
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△n
        2                  2
        n（H₂）              3.2mol-1.6mol=1.6mol
故n（H₂）=1.6mol，則H₂的轉化率為$\frac{1.6mol}{2mol}$×100%=80%，
故答案為：80%；
（3）負極發(fā)生氧化反應，由示意圖可知，乙醇在負極失去電子得到乙酸，由元素守恒應有水參與反應，由電荷守恒應生成氫離子，氫離子通過質子交換膜，與正極的氧離子結合生成水，負極電極反應為：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺，
故答案為：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

點評 本題比較綜合，涉及化學平衡計算、反應速率影響因素、熱化學方程式書寫、原電池等，（3）中注意根據(jù)原電池示意圖判斷發(fā)生的反應，難度中等．