Question

1．甲醇是一種可再生能源，具有開發(fā)和應用的廣闊前景，工業(yè)上一般可采用如下反應來合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
（1）分析該反應并回答下列問題：
①平衡常數表達式為K=$\frac{c{（CH}_{3}OH）}{c（CO）{•c}^{2}{H（}_{2}）}$．
②下列各項中，不能夠說明該反應已達到平衡的是d（填序號）．
a．恒溫、恒容條件下，容器內的壓強不發(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，單位時間內消耗1mol CO，同時生成1mol CH₃OH
（2）圖1是該反應在不同溫度下CO的轉化率隨時間變化的曲線．
①該反應的焓變△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②T₁和T₂溫度下的平衡常數大小關系是K₁＞K₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
③若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是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，中國科學院長春應用化學研究所在甲醇燃料電池技術方面獲得新突破，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口通入的物質為甲醇，c口通入的物質為氧氣．
②該電池正極的電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

Answer 1

分析 （1）①平衡常數指平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值；
②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；
（2）①根據先拐先平數值大原則，由圖1可知，溫度T₁＜T₂，平衡時，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動；
②升高溫度，平衡向逆反應移動，平衡常數減�。�
③提高甲醇產率，應采取措施使平衡向正反應移動，結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）由質子的定向移動可知左側電極為燃料電池的負極，右側電極為燃料電池的正極，負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極獲得電子，與通過質子交換膜的氫離子結合生成水，負極電極反應式為：CH₃OH（l）+H₂O（l）-6e^-=CO₂（g）+6H⁺，正極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

解答 解：（1）①可逆反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常數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．隨反應進行，氣體的物質的量減小，容器內壓強減小，容器內的壓強不發(fā)生變化，說明到達平衡狀態(tài)，故a正確；
b．CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等，說明正逆反應速率相等，說明到達平衡狀態(tài)，故b正確；
c．平衡時各組分的濃度、含量不變，說明到達平衡狀態(tài)，故c正確；
d．一定條件下，單位時間內消耗1mol CO，同時生成1molCH₃OH，都表示正反應速率，自始至終都按此比例進行，不能說明到達平衡狀態(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的轉化率越小，說明升高溫度，平衡向逆反應移動，升高溫度平衡向吸熱反應移動，故該反應正反應為放熱反應，則△H＜0，故答案為：＜；
②升高溫度，平衡向逆反應移動，所以K₁＞K₂，故答案為：＞；
③a．升高溫度，平衡向逆反應移動，甲醇產率降低，故a錯誤；
b．將CH₃OH（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，甲醇產率增大，故b正確；
c．使用合適的催化劑，縮短到達平衡時間，不影響平衡移動，甲醇產率不變，故c錯誤；
d．容器容積不變，充入He（g），使壓強增大，但反應混合物的濃度不變，不影響平衡移動，甲醇產率不變，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）由質子的定向移動可知左側電極為燃料電池的負極，右側電極為燃料電池的正極，負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極獲得電子，與通過質子交換膜的氫離子結合生成水，
①該電池工作時，b口通入的物質為甲醇，c口通入的物質為氧氣，
故答案為：甲醇；氧氣；
②該電池正極的電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．

點評 本題考查平衡常數、平衡狀態(tài)判斷、化學平衡移動及圖象、熱化學方程式書寫、原電池等，難度中等，需要學生具備扎實的基礎與靈活運用能力．