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(yīng)的能量變化如圖1所示：

②有關(guān)鍵能的數(shù)據(jù)

化學(xué)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(qǐng)回答下列問題
（1）請(qǐng)寫出表示氣態(tài)甲醇燃燒熱的熱化學(xué)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(yīng)自發(fā)進(jìn)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(jié)構(gòu)示意圖如圖2．甲醇進(jìn)入負(fù)極極（填“正”或“負(fù)”），正極發(fā)生的電極反應(yīng)為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
Ⅱ．一定條件下，在體積為3L的密閉容器中反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)．
（4）該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；根據(jù)圖3，升高溫度，K值將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（5）判斷該可逆反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)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(duì)分子質(zhì)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(xué)方程式中，可燃物為1mol，反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物．
由圖1可得熱化學(xué)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(yīng)自發(fā)進(jìn)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(yīng)熱=反應(yīng)物總鍵能-生成物總鍵能，進(jìn)而計(jì)算x的值；
（3）甲醇發(fā)生氧化反應(yīng)，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極通入，氧氣在正極通入，由原電池示意圖可知，負(fù)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(jié)合生成水；
Ⅱ．（4）化學(xué)平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學(xué)平衡常數(shù)中寫出；
由圖3可知，溫度越高平衡時(shí)甲醇物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小；
（5）可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，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．

解答 解：I．（1）燃燒熱的熱化學(xué)方程式中，可燃物為1mol，反應(yīng)生成穩(wěn)定的氧化物．
由圖1可得熱化學(xué)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(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故在低溫下反應(yīng)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(yīng)熱=反應(yīng)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(yīng)，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極通入，氧氣在正極通入，由原電池示意圖可知，負(fù)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(jié)合生成水，正極電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負(fù)極；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
Ⅱ．（4）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)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(shí)甲醇物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；減小；
（5）a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO），均表示正反應(yīng)速率，反應(yīng)始終按該比例關(guān)系進(jìn)行，故a錯(cuò)誤；
b．混合氣體總質(zhì)量不變，容器容積不變，混合氣體的密度為定值，故b錯(cuò)誤；
c．混合氣體總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體物質(zhì)的量減小，平均相對(duì)分子質(zhì)量增大，但混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變，說明反應(yīng)到達(dá)平衡，故c正確；
d．平衡時(shí)各組分濃度不變，CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化，說明反應(yīng)到達(dá)平衡，故d正確，
故選：cd．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、反應(yīng)熱計(jì)算、原電池、化學(xué)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(yīng)式中產(chǎn)物不能為氫氧根離子，（2）中x計(jì)算為易錯(cuò)點(diǎn)，學(xué)生容易忽略化學(xué)鍵含義，直接利用氫氣燃燒生成液體水的熱化學(xué)方程式計(jì)算．