Question

15．開發(fā)、使用清潔能源發(fā)展“低碳經(jīng)濟”，正成為科學家研究的主要課題．氫氣、甲醇是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，可制作燃料電池．

（1）生產(chǎn)甲醇的原料CO和H₂來源于：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
①一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系如圖a．則，P_l＜P₂；A、B、C三點處對應平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小順序為K_C＞K_B＞K_A．（填“＜”、“＞”“=”）
②100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的反應室，反應達平衡的標志是：cd．
a．容器內(nèi)氣體密度恒定   b．單位時間內(nèi)消耗0.1mol CH₄同時生成0.3mol H₂
c．容器的壓強恒定       d．3v正（CH₄）=v逆（H₂）
如果達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%，則100℃時該反應的平衡常數(shù)K=2.25×10^-4（mol/L）²
（2）某實驗小組利用CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）設計成如圖b所示的電池裝置，負極的電極反應式為CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O．用該原電池做電源，常溫下，用惰性電極電解200mL飽和食鹽水（足量），消耗的標準狀況下的CO 224mL，則溶液的pH=13．（不考慮溶液體積的變化）
（3）已知2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1（a＞0），在一個容積固定的容器中加入2mol X₂和1mol Y₂在500℃時充分反應達平衡后Z的濃度為W mol•L^-1，放出熱量b kJ．
若原來容器中只加入2mol Z，500℃充分反應達平衡后，吸收熱量c kJ，則Z濃度=Wmol•L^-1（填“＞”、“＜”或“=”），a、b、c之間滿足關系a=b+c（用代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 （1）①從CO轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化趨勢分析第一問；在200℃時，看不同壓強下CO的轉(zhuǎn)化率大小，結合化學方程式中反應前后氣體的體積變化解答，A、B、C三點處對應平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小和溫度有關；
②化學平衡的標志是正逆反應速率相同，各組分含量保持不變，據(jù)此分析選項；利用三段式法計算化學平衡常數(shù)；
（2）電池的負極發(fā)生氧化反應，負極上是燃料發(fā)生氧化反應，串聯(lián)電路中，各個裝置轉(zhuǎn)移電子是相等的，據(jù)電子守恒進行計算；
（3）恒溫恒容下，2molZ完全轉(zhuǎn)化到左邊，可得2molX₂和1molY₂，故與原平衡為等效平衡，平衡時Z的濃度相同；同一可逆反應，相同溫度下，正、逆反應的反應熱數(shù)值相等，但符號相反，令平衡時Z的物質(zhì)的量為nmol，根據(jù)反應熱計算兩個過程的熱量數(shù)值，據(jù)此判斷．

解答 解：（1）①根據(jù)一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關系圖知道，溫度不變，則增大壓強，平衡CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）逆向移動，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，所以P_l＜P₂，壓強不變升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率會增大，平衡正向進行，所以反應是吸熱反應，溫度越高，K越大，A、B、C三點處對應的溫度是逐漸升高的，所以平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小順序為K_C＞K_B＞K_A，
故答案為：＜； K_C＞K_B＞K_A；
②a．容器內(nèi)氣體密度=$\frac{m}{V}$，質(zhì)量是守恒的，V是不變的，所以密度始終不變，當密度不變時，不一定平衡，故錯誤；
b．單位時間內(nèi)消耗0.1mol CH₄同時生成0.3molH₂，只能說明正反應速率，不能證明正逆反應速率相等，不一定平衡，故錯誤；
c．反應是前后系數(shù)和變化的反應，當容器的壓強恒定，則達到了平衡，故正確；
d．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），能體現(xiàn)v（正）=v（逆），故正確．
故選cd．
       CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.01     0.02        0      0
變化濃度：0.005    0.005      0.005    0.015
平衡濃度：0.005    0.015      0.005    0.015
所以平衡常數(shù)K=$\frac{0.015{\;}^{3}×0.005}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4（mol/L）²，
故答案為：cd；2.25×10^-4（mol/L）²；
（2）在CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）設計成的燃料電池裝置中，CO發(fā)生氧化反應，在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負極電極反應式為：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O，用該原電池做電源，常溫下，用惰性電極電解200mL飽和食鹽水（足量），當消耗的標準狀況下的CO224mL極0.01mol時，轉(zhuǎn)移電子是0.02mol，根據(jù)電解氯化鈉的反應方程式：2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，當轉(zhuǎn)移電子是0.02mol時，生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量是0.02mol，所以氫氧化鈉濃度是$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，即pH=13，
故答案為：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O；13；
（3）恒溫恒容下，2molZ完全轉(zhuǎn)化到左邊，可得2molX₂和1molY₂，故與原平衡為等效平衡，平衡時Z的濃度相同，故c（Z）=Wmol•L^-1，
同一可逆反應，相同溫度下，正、逆反應的反應熱數(shù)值相等，但符號相反，令平衡時Z的物質(zhì)的量為nmol，
對于反應2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1，則b=n×$\frac{a}{2}$，對于反應2Z（g）?2X₂（g）+Y₂（g）△H=akJ•mol^-1，Z分解的物質(zhì)的量為（2-n）mol，故c=$\frac{2-n}{2}$×a=1-n×$\frac{a}{2}$，故a=b+c，
故答案為：=；a=b+c．

點評 本題比較綜合，難度中等，涉及熱化學方程式、化學平衡圖象及影響因素、平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷、化學平衡的有關計算、原電池等，注意知識的歸納和整理是關鍵，題目難度中等．