Question

1．甲醇是一種可再生能源，具有開發(fā)和應(yīng)用的廣闊前景，工業(yè)上一般可采用如下反應(yīng)來合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
（1）分析該反應(yīng)并回答下列問題：
①平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c{（CH}_{3}OH）}{c（CO）{•c}^{2}{H（}_{2}）}$．
②下列各項(xiàng)中，不能夠說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡的是d（填序號）．
a．恒溫、恒容條件下，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不發(fā)生變化
b．一定條件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等
c．一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變
d．一定條件下，單位時間內(nèi)消耗1mol CO，同時生成1mol CH₃OH
（2）圖1是該反應(yīng)在不同溫度下CO的轉(zhuǎn)化率隨時間變化的曲線．
①該反應(yīng)的焓變△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②T₁和T₂溫度下的平衡常數(shù)大小關(guān)系是K₁＞K₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
③若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是b．
a．升高溫度b．將CH₃OH（g）從體系中分離
c．使用合適的催化劑d．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大
（3）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-c kJ•mol-1
則，CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-（0.5a+2c-0.5b）kJ•mol^-1．
（4）2009年10月，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在甲醇燃料電池技術(shù)方面獲得新突破，組裝出了自呼吸電池及主動式電堆．甲醇燃料電池的工作原理如圖2所示．
①該電池工作時，b口通入的物質(zhì)為甲醇，c口通入的物質(zhì)為氧氣．
②該電池正極的電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

Answer 1

分析 （1）①平衡常數(shù)指平衡時各生成物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積除以各反應(yīng)物濃度的化學(xué)計量數(shù)次冪的乘積所得的比值；
②可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，同種物質(zhì)的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達(dá)平衡；
（2）①根據(jù)先拐先平數(shù)值大原則，由圖1可知，溫度T₁＜T₂，平衡時，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動；
②升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，平衡常數(shù)減��；
③提高甲醇產(chǎn)率，應(yīng)采取措施使平衡向正反應(yīng)移動，結(jié)合平衡移動原理分析；
（3）已知：①2CH₃OH（1）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（1）△H=-c kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，[①-②+③×4]÷2可得：CH₃OH（1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）；
（4）由質(zhì)子的定向移動可知左側(cè)電極為燃料電池的負(fù)極，右側(cè)電極為燃料電池的正極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極放電，正極反應(yīng)還原反應(yīng)，氧氣在正極獲得電子，與通過質(zhì)子交換膜的氫離子結(jié)合生成水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH（l）+H₂O（l）-6e^-=CO₂（g）+6H⁺，正極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

解答 解：（1）①可逆反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常數(shù)k=$\frac{c{（CH}_{3}OH）}{c（CO）{•c}^{2}{H（}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c{（CH}_{3}OH）}{c（CO）{•c}^{2}{H（}_{2}）}$；
②a．隨反應(yīng)進(jìn)行，氣體的物質(zhì)的量減小，容器內(nèi)壓強(qiáng)減小，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不發(fā)生變化，說明到達(dá)平衡狀態(tài)，故a正確；
b．CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等，說明正逆反應(yīng)速率相等，說明到達(dá)平衡狀態(tài)，故b正確；
c．平衡時各組分的濃度、含量不變，說明到達(dá)平衡狀態(tài)，故c正確；
d．一定條件下，單位時間內(nèi)消耗1mol CO，同時生成1molCH₃OH，都表示正反應(yīng)速率，自始至終都按此比例進(jìn)行，不能說明到達(dá)平衡狀態(tài)，故d錯誤．
故答案為：d；
（2）①由圖1可知，溫度T₁＜T₂，平衡時，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動，故該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則△H＜0，故答案為：＜；
②升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，所以K₁＞K₂，故答案為：＞；
③a．升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動，甲醇產(chǎn)率降低，故a錯誤；
b．將CH₃OH（g）從體系中分離，平衡向正反應(yīng)移動，甲醇產(chǎn)率增大，故b正確；
c．使用合適的催化劑，縮短到達(dá)平衡時間，不影響平衡移動，甲醇產(chǎn)率不變，故c錯誤；
d．容器容積不變，充入He（g），使壓強(qiáng)增大，但反應(yīng)混合物的濃度不變，不影響平衡移動，甲醇產(chǎn)率不變，故d錯誤，
故答案為：b；
（3）已知：①2CH₃OH（1）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（1）△H=-c kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，[①-②+③×4]÷2可得：CH₃OH（1）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-（0.5a+2c-0.5b） kJ•mol^-1
故答案為：-（0.5a+2c-0.5b）；
（4）由質(zhì)子的定向移動可知左側(cè)電極為燃料電池的負(fù)極，右側(cè)電極為燃料電池的正極，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極放電，正極反應(yīng)還原反應(yīng)，氧氣在正極獲得電子，與通過質(zhì)子交換膜的氫離子結(jié)合生成水，
①該電池工作時，b口通入的物質(zhì)為甲醇，c口通入的物質(zhì)為氧氣，
故答案為：甲醇；氧氣；
②該電池正極的電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

點(diǎn)評 本題考查平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷、化學(xué)平衡移動及圖象、熱化學(xué)方程式書寫、原電池等，難度中等，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與靈活運(yùn)用能力．