Question

19．甲醇是一種重要的可再生能源．
（1）已知2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=b kJ•mol^-1
試寫出由CH₄和O₂制取甲醇的熱化學方程式2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol．
（2）還可通過下列反應制甲醇：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．甲圖是反應時CO和CH₃OH（g）的濃度隨時間的變化情況．從反應開始到達平衡，用H₂表示反應速率υ（H₂）=0.15mol/（L•min）．

（3）在一容積可變的密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，CO的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如乙圖所示．
①下列說法能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是BD（填字母）．
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的體積分數(shù)不再改變
C．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等
D．體系中氣體的平均摩爾質量不再改變
②比較A、B兩點壓強大小P_A＜P_B（填“＞、＜、=”）．
③若達到化學平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L．如果反應開始時仍充入10molCO和20molH₂，則在平衡狀態(tài)B時容器的體積V（B）=4L．
（4）以甲醇為燃料，氧氣為氧化劑，KOH溶液為電解質溶液，可制成燃料電池（電極材料為惰性電極）．
①若KOH溶液足量，則寫出電池負極反應式2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O．
②若電解質溶液中KOH的物質的量為0.8mol，當有0.5mol甲醇參與反應時，電解質溶液中各種離子的物質的量濃度由大到小的順序是C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律，1式加2式的二倍即可得到該方程式及焓變；
（2）根據(jù)反應速率v=$\frac{△c}{△t}$，結合物質表示的反應速率之比等于物質前邊的系數(shù)之比來計算；
（3）①平衡標志是正逆反應速率相同，各成分濃度保持不變分析判斷選項；
②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大；
③A、B反應溫度相等，則平衡常數(shù)相等，利用平衡常數(shù)計算；
（4）①燃料電池總反應是燃料燃燒的化學方程式，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子，據(jù)此書寫；
②當有0.5mol甲醇參與反應時，產(chǎn)生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氫氧化鉀反應，根據(jù)元素守恒可以計算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，據(jù)此確定離子濃度的大小順序．

解答 解：（1）已知①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a KJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b KJ/mol，①+②×2可得到2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol；
（2）用甲醇表示的反應速率v=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），氫氣表示的反應速率是甲醇的2倍，即0.15mol/（L•min），
故答案為：0.15mol/（L•min）；
（3）①A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故A錯誤；
B．H₂的體積分數(shù)不再改變是化學平衡的特征，達到了平衡，故B正確；
C．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故C錯誤；
D．體系中氣體的平均摩爾質量等于質量和物質的量的比值，物質的量變化，質量不變，所以當體系中氣體的平均摩爾質量不再改變，證明達到了平衡，故D正確．
故選BD；
②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大，圖象中P_B轉化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案為：＜；
③A、B兩容器溫度相同，即化學平衡常數(shù)相等，且B點時CO的轉化率為0.8，
          則 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20        0
轉化（mol）：8      16        8
 平衡（mol）：2      4        8
設體積為VL，則有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，V=4L，
故答案為：4；
（4）①燃料電池總反應是燃料燃燒的化學方程式，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
②當有0.5mol甲醇參與反應時，產(chǎn)生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氫氧化鉀反應，根據(jù)元素守恒可以計算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，二者的水溶液均為堿性，所以C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺），
故答案為：C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

點評 本題主要考查了熱化學方程式的書寫、電解質溶液中離子濃度大小比較、原電池原理分析、化學平衡狀態(tài)的判斷以及平衡的計算的知識，屬于綜合知識的考查，題目難度中等．