Question

19．甲醇是一種重要的可再生能源．
（1）已知2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=b kJ•mol^-1
試寫(xiě)出由CH₄和O₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol．
（2）還可通過(guò)下列反應(yīng)制甲醇：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．甲圖是反應(yīng)時(shí)CO和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間的變化情況．從反應(yīng)開(kāi)始到達(dá)平衡，用H₂表示反應(yīng)速率υ（H₂）=0.15mol/（L•min）．

（3）在一容積可變的密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化如乙圖所示．
①下列說(shuō)法能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是BD（填字母）．
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的體積分?jǐn)?shù)不再改變
C．體系中H₂的轉(zhuǎn)化率和CO的轉(zhuǎn)化率相等
D．體系中氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變
②比較A、B兩點(diǎn)壓強(qiáng)大小P_A＜P_B（填“＞、＜、=”）．
③若達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)A時(shí)，容器的體積為20L．如果反應(yīng)開(kāi)始時(shí)仍充入10molCO和20molH₂，則在平衡狀態(tài)B時(shí)容器的體積V（B）=4L．
（4）以甲醇為燃料，氧氣為氧化劑，KOH溶液為電解質(zhì)溶液，可制成燃料電池（電極材料為惰性電極）．
①若KOH溶液足量，則寫(xiě)出電池負(fù)極反應(yīng)式2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O．
②若電解質(zhì)溶液中KOH的物質(zhì)的量為0.8mol，當(dāng)有0.5mol甲醇參與反應(yīng)時(shí)，電解質(zhì)溶液中各種離子的物質(zhì)的量濃度由大到小的順序是C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律，1式加2式的二倍即可得到該方程式及焓變；
（2）根據(jù)反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$，結(jié)合物質(zhì)表示的反應(yīng)速率之比等于物質(zhì)前邊的系數(shù)之比來(lái)計(jì)算；
（3）①平衡標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各成分濃度保持不變分析判斷選項(xiàng)；
②正反應(yīng)方向?yàn)闅怏w體積減小的方向，T₁℃時(shí)比較CO的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率越大，則壓強(qiáng)越大；
③A、B反應(yīng)溫度相等，則平衡常數(shù)相等，利用平衡常數(shù)計(jì)算；
（4）①燃料電池總反應(yīng)是燃料燃燒的化學(xué)方程式，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，據(jù)此書(shū)寫(xiě)；
②當(dāng)有0.5mol甲醇參與反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氫氧化鉀反應(yīng)，根據(jù)元素守恒可以計(jì)算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，據(jù)此確定離子濃度的大小順序．

解答 解：（1）已知①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a KJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b KJ/mol，①+②×2可得到2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol；
（2）用甲醇表示的反應(yīng)速率v=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），氫氣表示的反應(yīng)速率是甲醇的2倍，即0.15mol/（L•min），
故答案為：0.15mol/（L•min）；
（3）①A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，不能說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故A錯(cuò)誤；
B．H₂的體積分?jǐn)?shù)不再改變是化學(xué)平衡的特征，達(dá)到了平衡，故B正確；
C．體系中H₂的轉(zhuǎn)化率和CO的轉(zhuǎn)化率相等，不能說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故C錯(cuò)誤；
D．體系中氣體的平均摩爾質(zhì)量等于質(zhì)量和物質(zhì)的量的比值，物質(zhì)的量變化，質(zhì)量不變，所以當(dāng)體系中氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變，證明達(dá)到了平衡，故D正確．
故選BD；
②正反應(yīng)方向?yàn)闅怏w體積減小的方向，T₁℃時(shí)比較CO的轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率越大，則壓強(qiáng)越大，圖象中P_B轉(zhuǎn)化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案為：＜；
③A、B兩容器溫度相同，即化學(xué)平衡常數(shù)相等，且B點(diǎn)時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為0.8，
          則 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20        0
轉(zhuǎn)化（mol）：8      16        8
 平衡（mol）：2      4        8
設(shè)體積為VL，則有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，V=4L，
故答案為：4；
（4）①燃料電池總反應(yīng)是燃料燃燒的化學(xué)方程式，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳酸根離子，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
②當(dāng)有0.5mol甲醇參與反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氫氧化鉀反應(yīng)，根據(jù)元素守恒可以計(jì)算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，二者的水溶液均為堿性，所以C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺），
故答案為：C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考查了熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、電解質(zhì)溶液中離子濃度大小比較、原電池原理分析、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷以及平衡的計(jì)算的知識(shí)，屬于綜合知識(shí)的考查，題目難度中等．