Question

4．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）已知：①2CH₃OH（1）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（1）△H₃=-44.0kJ•mol^-1寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1
（2）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1L 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）
③如果達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5，則100℃時該反應的平衡常數(shù)K=2.25
（3）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?=CO₃²?+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），消耗標準狀況下的CO 224mL，則溶液的pH=13 （不考慮溶液體積的變化）

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式，反應的熱化學方程式改變系數(shù)，焓變隨之改變，通過熱化學方程式之間的加減計算得到；
（2）①在200℃時，看不同壓強下CO的轉(zhuǎn)化率大小，結(jié)合化學方程式中反應前后氣體的體積變化解答；平衡常數(shù)只受溫度影響，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達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度不變，百分含量不變，以及由此衍生其它一些物理量不變，據(jù)此結(jié)合選項判斷；
③利用三段式計算平衡時各組分的物質(zhì)的量濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
（3）電解質(zhì)溶液呈堿性，則負極上CO失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水；電解飽和食鹽水的離子方程式為：2Cl^-+2H₂O=H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子守恒計算溶液中的氫氧根離子濃度，再確定pH．

解答 解：（1）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將已知反應$\frac{1}{2}$×（①-②+③×4）得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以該反應的△H=$\frac{1}{2}$×[（-1275.6kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）+（-44.0kJ/mol）×4]=-442.8kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
（2）①在圖a的200℃位置，平行與縱軸畫一條虛線，可見CH₄的轉(zhuǎn)化率P₁＞P₂，在CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）反應中，生成物的氣體體積大于反應物，壓強增大時平衡向逆向移動，故P₁＜P₂，平衡常數(shù)只受溫度影響，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A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B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C正確；
D．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），能體現(xiàn)v（正）=v（逆），故D正確；
故答案為：CD；
③平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化為0.5，則甲烷的濃度變化量=1mol/L×0.5=0.5mol/L，
                      CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：1            2                 0               0
變化（mol/L）：0.5        0.5               0.5           1.5
平衡（mol/L）：0.5        1.5               0.5            1.5
故平衡常數(shù)K=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×1.5}$=2.25，
故答案為：2.25；
（3）電解質(zhì)溶液呈堿性，則負極上CO失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，負極反應式為CO-2e?+4OH?=CO₃²?+2H₂O，消耗的標準狀況下的CO24mL，則CO的物質(zhì)的量為$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol，則轉(zhuǎn)移電子為0.02mol，電解飽和食鹽水的離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，由轉(zhuǎn)移電子守恒可知，生成的氫氧根離子的物質(zhì)的量為0.02mol，則c（OH^-）=0.1mol/L，所以pH=13．
故答案為：CO-2e?+4OH?=CO₃²?+2H₂O；13．

點評 本題考查反應熱的計算、化學平衡圖象及影響因素、平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷、原電池、電解池工作原理等知識，正確推斷燃料電池正負極、明確化學平衡及其影響為解答關鍵，題目難度中等，試題培養(yǎng)了學生的分析能力及靈活應用能力．