Question

甲醇是一種優(yōu)質(zhì)燃料，可制作燃料電池。

（1）為探究用CO₂生產(chǎn)燃料甲醇的反應(yīng)原理，現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)     △H＝－49.0kJ/mol

測得CO₂和CH₃OH(g)的濃度隨時(shí)間變化如右圖。請回答：

①從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的反應(yīng)速率：v(H₂)＝                         。

②能夠說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡的是_________。

A．恒溫、恒容時(shí)，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化

B．恒溫、恒容時(shí)，容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化

C．一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變

D．一定條件下，單位時(shí)間內(nèi)消耗3molH₂的同時(shí)生成1molCH₃OH

③下列措施中能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大的是            。

A．加入催化劑                B．充入He(g)，使體系壓強(qiáng)增大

C．將H₂O(g)從體系中分離      D．降低溫度

④求此溫度(T₁)下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K₁＝                 (計(jì)算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。

⑤另在溫度(T₂)條件下測得平衡常數(shù)K₂，已知T₂＞T₁，則K₂      (填“＞”、“＝”或“＜”)K₁。

（2）以CH₃OH為燃料(以KOH溶液作電解質(zhì)溶液)可制成CH₃OH燃料電池(電池總反應(yīng)式：2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O)，則充入CH₃OH的電極為   極，充入O₂的電極反應(yīng)式               。

（3）已知在常溫常壓下：

 ①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g)   △H₁

 ②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g)  △H₂

則1mol甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水時(shí)反應(yīng)的△H＝                    。（用含△H₁、△H₂的式子表示）

 

Answer 1

【答案】

（1）①0.225mol/(L·min)    ② A C     ③C D     ④5.33     ⑤＜

（2）①負(fù)； ②3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－（O₂＋4e^－＋2H₂O＝4OH^－也算對） （3）

【解析】

試題分析：（1）①根據(jù)圖像可知，反應(yīng)進(jìn)行到10min是物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)生成甲醇的物質(zhì)的量濃度是0.75mol/L，則根據(jù)反應(yīng)的方程式可知，消耗氫氣的濃度是0.75mol/L×3＝2.25mol/L，所以v(H₂)＝2.25mol/L÷10min＝0.225mol/（L•min）。

②在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時(shí)（但不為0），反應(yīng)體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學(xué)平衡狀態(tài)，據(jù)此可以判斷。A、根據(jù)方程式可知，反應(yīng)兩邊氣體的體積不相等，恒溫、恒容時(shí)在反應(yīng)過程中壓強(qiáng)是變化的，當(dāng)容器內(nèi)的壓強(qiáng)不再變化使，可以證明正逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故A正確；B、密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的，即氣體的密度始終不變，所以恒溫、恒容時(shí)，容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化不能說明反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，B不正確；C、一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變，說明正逆反應(yīng)速率，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故C正確；D、根據(jù)方程式可知，一定條件下，單位時(shí)間內(nèi)消耗3molH₂的同時(shí)，必然生成1molCH₃OH，因此用H₂、CH₃OH的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率的比為3:1的狀態(tài)，不能判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，故D錯(cuò)誤，因此答案為A、C。

③A、催化劑不能改變平衡狀態(tài)，所以加入催化劑不能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，A不正確；B、充入He氣，參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動(dòng)，即平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)不變，故B錯(cuò)誤；C、將H₂O（g）從體系中分離，生成物濃度減小，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故C正確；D、該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故D正確，答案選C、D。

④化學(xué)平衡常數(shù)是在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值，即K＝。達(dá)到平衡時(shí)，c(CO₂)＝0.25mol/L，c(CH₃OH)＝0.75mol/L，根據(jù)方程式可知c(H₂O)＝0.75mol/L。同樣根據(jù)反應(yīng)方程式，反應(yīng)氫氣的消耗濃度為生成的甲醇濃度的3倍，所以平衡狀態(tài)時(shí)氫氣的濃度為＝3mol/L－3×0.75mol/L＝0.75mol/L，因此K＝＝≈5.33。

⑤該反應(yīng)正方應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，所以K₂＜K₁。

（2）原電池中負(fù)極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，所以根據(jù)電池總反應(yīng)式2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O可知，甲醇是還原劑，氧氣是氧化劑，因此充入CH₃OH的電極為負(fù)極，氧氣在正極通入。由于電解質(zhì)是＝堿性溶液，所以充入O₂的電極反應(yīng)式為3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－。

（3）已知反應(yīng)①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g) △H₁、 ②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g) △H₂，則根據(jù)蓋斯定律可知，（①－②）÷2即得到反應(yīng)CH₃OH(l)＋O₂(g)＝CO(g)＋2H₂O(g)，所以該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H＝。

考點(diǎn)：考查反應(yīng)速率、平衡常數(shù)計(jì)算，外界條件對平衡狀態(tài)的影響和平衡狀態(tài)的判斷；甲醇燃料電池判斷以及蓋斯定律的應(yīng)用等