Question

6．甲醇可作為燃料電池的原料．通過(guò)下列反應(yīng)可以制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，在一容積可變的密閉容器中充入10molCO和20molH₂，CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化如圖1所示，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)B時(shí)，容器的體積為4L．
（1）該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$．
（2）如反應(yīng)開始時(shí)仍充入10mol CO 和20mol H₂，則在平衡狀態(tài)A時(shí)，容器的體積V（A）=20 L．
（3）關(guān)于反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）建立化學(xué)平衡狀態(tài)時(shí)的標(biāo)志是AD（填字母）．
A．CO的含量保持不變               
B．容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等
C．2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂）      
D．容器中混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變
（4）已知CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，試寫出由CO₂和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1．
（5）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實(shí)驗(yàn)室用如圖2裝置模擬上述過(guò)程：
①寫出陽(yáng)極的電極反應(yīng)式Co²⁺-e^-=Co³⁺
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）平衡常數(shù)為產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值；
（2）A、B溫度相同，則化學(xué)平衡常數(shù)也相同，可利用A點(diǎn)時(shí)計(jì)算出化學(xué)平衡常數(shù)，計(jì)算得出B的體積；
（3）根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)進(jìn)行判斷；
（4）利用蓋斯定律計(jì)算得出熱化學(xué)方程式；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）平衡常數(shù)為產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值，K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$，故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$；
（2）密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，達(dá)到平衡狀態(tài)B時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為0.8，此時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量為CO為2mol，H₂為4mol，CH₃OH為8mol，氣體的物質(zhì)的量為14mol，容器體積為4L；若反應(yīng)開始時(shí)仍充入10mol CO 和20mol H₂，達(dá)到平衡狀態(tài)A時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為0.5，此時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量為CO為5mol，H₂為10mol，CH₃OH為5mol，氣體的物質(zhì)的量為20mol；由于A、B溫度相同，化學(xué)平衡常數(shù)相同，設(shè)A點(diǎn)氣體體積為V，則有$\frac{\frac{8}{4}}{\frac{2}{4}×（\frac{4}{4}）{\;}^{2}}$=$\frac{\frac{5}{V}}{\frac{5}{V}×（\frac{10}{V}）^{2}}$，V=20L，故答案為：20；
（3）A、CO的含量保持不變，各組分的物質(zhì)的量，總物質(zhì)的量不變，達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故A正確；
B、容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等，是一個(gè)比較特殊的情況，此時(shí)可能達(dá)到平衡狀態(tài)，也可能未達(dá)到平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；
C、2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂），都是指正反應(yīng)方向，不能判斷達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；
D、M_平均=$\frac{m{\;}_{總}(cāng)}{n{\;}_{總}(cāng)}$，氣體總質(zhì)量不變，反應(yīng)前后計(jì)量數(shù)不同，即反應(yīng)前后氣體n_總不同，所以當(dāng)M_平均不變時(shí)，達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)，故D正確；
故選：AD；
（4）將CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1與CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，相加可得到CO₂和H₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1，故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽(yáng)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用、電解池原理分析和電極反應(yīng)書寫方法，化學(xué)平衡狀態(tài)的特征及判斷、化學(xué)平衡圖象等知識(shí)、題目難度較大，注意認(rèn)真分析．