Question

18．I．甲醇是重要的工業(yè)原料．煤化工可以利用煤炭制取水煤氣從而合成甲醇CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
已知①常壓下反應的能量變化如圖1所示：

②有關鍵能的數(shù)據(jù)

化學鍵	H-H	H-O	O=O
鍵能KJ/mol	436	x	496

③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
請回答下列問題
（1）請寫出表示氣態(tài)甲醇燃燒熱的熱化學方程式CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1
（2）在低溫情況下有利于一氧化碳和氫氣制備甲醇的反應自發(fā)進行（填“高溫”或“低溫”），H-O的鍵能數(shù)據(jù)x的值為462
（3）甲醇燃料電池的結構示意圖如圖2．甲醇進入負極極（填“正”或“負”），正極發(fā)生的電極反應為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
Ⅱ．一定條件下，在體積為3L的密閉容器中反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）達到化學平衡狀態(tài)．
（4）該反應的平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；根據(jù)圖3，升高溫度，K值將減�。ㄌ睢霸龃蟆�、“減小”或“不變”）．
（5）判斷該可逆反應達到化學平衡狀態(tài)的標志是cdf（填字母）．
a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）         b．混合氣體的密度不再改變
c．混合氣體的平均相對分子質量不再改變 d．CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化．

Answer 1

分析 I．（1）燃燒熱的熱化學方程式中，可燃物為1mol，反應生成穩(wěn)定的氧化物．
由圖1可得熱化學方程式：①．CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol，
又已知：②．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
③．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，③×2+②-①可得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；
（2）△H-T△S＜0反應自發(fā)進行；
已知：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol，
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
二者相加可得：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-240 kJ/mol，反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能，進而計算x的值；
（3）甲醇發(fā)生氧化反應，原電池負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極通入，氧氣在正極通入，由原電池示意圖可知，負極是甲醇失去電子生成二氧化碳與氫離子，正極是氧氣獲得電子，與通過氫離子交換膜的氫離子結合生成水；
Ⅱ．（4）化學平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應到達平衡時，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學平衡常數(shù)中寫出；
由圖3可知，溫度越高平衡時甲醇物質的量越小，說明升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小；
（5）可逆反應到達平衡時，同種物質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隨反應進行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達平衡．

解答 解：I．（1）燃燒熱的熱化學方程式中，可燃物為1mol，反應生成穩(wěn)定的氧化物．
由圖1可得熱化學方程式：①．CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol，
又已知：②．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
③．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，③×2+②-①可得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1；
（2）CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol的△H＜0、△S＜0，△H-T△S＜0反應自發(fā)進行，故在低溫下反應具有自發(fā)性；
已知：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol，
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
二者相加可得：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-240 kJ/mol，
反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能，則436kJ/mol+$\frac{1}{2}$×496kJ/mol-2×x kJ/mol=-240kJ/mol，解得x=462，
故答案為：低溫；462；
（3）甲醇發(fā)生氧化反應，原電池負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極通入，氧氣在正極通入，由原電池示意圖可知，負極是甲醇失去電子生成二氧化碳與氫離子，正極是氧氣獲得電子，與通過氫離子交換膜的氫離子結合生成水，正極電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負極；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
Ⅱ．（4）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）化學平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，由圖3可知，溫度越高平衡時甲醇物質的量越小，說明升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；減��；
（5）a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO），均表示正反應速率，反應始終按該比例關系進行，故a錯誤；
b．混合氣體總質量不變，容器容積不變，混合氣體的密度為定值，故b錯誤；
c．混合氣體總質量不變，隨反應進行混合氣體物質的量減小，平均相對分子質量增大，但混合氣體的平均相對分子質量不再改變，說明反應到達平衡，故c正確；
d．平衡時各組分濃度不變，CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化，說明反應到達平衡，故d正確，
故選：cd．

點評 本題考查熱化學方程式書寫、反應熱計算、原電池、化學平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷，屬于拼合型題目，（3）中注意正極電極反應式中產(chǎn)物不能為氫氧根離子，（2）中x計算為易錯點，學生容易忽略化學鍵含義，直接利用氫氣燃燒生成液體水的熱化學方程式計算．