Question

19．甲醇是重要的化學工業(yè)基礎(chǔ)原料和清潔液體燃料，工業(yè)上常利用CO來制備甲醇．
（1）已知：
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO燃燒熱△H₃=c kJ/mol
求CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol
（2）在不同的密閉容器中按如下投料方式進行反應(yīng)：

容器編號	容器體積/L	溫度/K	CO物質(zhì)的量/mol	H2物質(zhì)的量/mol	CH3OH物質(zhì)的量/mol	平衡時CO濃度/mol•L-1	平衡常數(shù)K
1	1.0	500	0.2	0.2	0	0.12	K1
2	1.0	800	0.1	0	0.1	0.16	K2
3	2.0	800	0.2	0.2	0	X	K3

反應(yīng)進行2min后，容器2中反應(yīng)達到平衡狀態(tài)．
①計算800℃時，從反應(yīng)開始至達到化學平衡，以H₂的濃度變化表示的化學反應(yīng)速率是0.06mol/（L•min），此溫度下的平衡常數(shù)K=17.36（列出表達式并計算結(jié)果，結(jié)果保留兩位小數(shù)）
②下列說法正確的是D
A．X大于0.16
B．當v（CO）_正=2v（H₂）_逆時，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)
C．平衡后，向容器1中通入0.2mol的CO和0.2mol的H₂，再次達到平衡時CO轉(zhuǎn)化率增大
D．K₁＞K₂=K₃
（3）甲醇燃料電池由于其結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)化率高、對環(huán)境無污染，而越來越受到關(guān)注，如圖是一種甲醇燃料電池的工作原理
①寫出該燃料電池負極電極反應(yīng)方程式：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O
②當電路中有0.6mol電子通過時，需要在正極通入的標況下氧氣的體積為3.36L，將生成的氣體全部通入2L 0.3mol/L的氫氧化鈉溶液中，此時溶液中各離子濃度由大到小順序為c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）CO燃燒熱△H₃=c kJ/mol，故燃燒熱化學方程式為CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol，②×2-①+③×2得，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol，據(jù)此進行分析；
（2）①據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$進行計算；K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$進行計算；
②A．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c） 0.2          0.2               0
變化          0.2-X      0.4-2X      0.2-X        
平衡           X          2X-0.2         0.2-X，容器2與容器3溫度相同，故平衡常數(shù)相同即K₃=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.2-X}{X×（2X-0.2）^{2}}$=17.36，據(jù)此進行分析；
B．v（CO）_正與v（H₂）_逆．都表示正反應(yīng)速率，不能說明到達平衡；
C．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c） 0.2        0.2                0
變化          0.08     0.16               0.08
平衡          0.12     0.04               0.08，故平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.08}{0.12×0.0{4}^{2}}$=416.7，此時CO轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.08}{0.2}×100%$=40%，
設(shè)CO變化了xmol            
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c）  0.32      0.24                 0.08
變化            x            2x                  x
平衡         0.32-x     0.24-2x          0.08+x，因為可逆反應(yīng)不可能完全轉(zhuǎn)化，故0.24-2x＞0，即x＜0.12，故CO轉(zhuǎn)化率＜$\frac{0.12}{0.32}×100%$=37.5%，故再次達到平衡時CO轉(zhuǎn)化率減�。�
D．由以上數(shù)據(jù)得K₁＞K₂=K₃；
（3）①甲醇燃料電池，電解質(zhì)為酸，燃料為負極，故甲醇為負極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，據(jù)此書寫電極反應(yīng)方程式；
②正極發(fā)生的電極反應(yīng)為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，據(jù)此進行計算；根據(jù)n（NaOH）與n（CO₂）比例關(guān)系判斷反應(yīng)產(chǎn)物，進而計算溶液中電解質(zhì)物質(zhì)的量，結(jié)合鹽類水解與電離等判斷．

解答 解：（1）CO燃燒熱△H₃=c kJ/mol，故燃燒熱化學方程式為CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol，②×2-①+③×2得，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol，
故答案為：（2b-a+2c）KJ/mol；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c）   0.1             0               0.1
變化           0.06          0.12            0.06
平衡          0.16           0.12            0.04
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.12mol/L}{2min}$=0.06mol/（L•min）；K₂=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.16×0.1{2}^{2}}$=17.36，
故答案為：0.06mol/（L•min）；17.36；
②A．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c） 0.2           0.2                0
變化        0.2-X      0.4-2X          0.2-X
平衡           X         2X-0.2          0.2-X，容器2與容器3溫度相同，故平衡常數(shù)相同即K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.2-X}{X×（2X-0.2）^{2}}$=17.36，解得X=0.16，故A錯誤；
B．v（CO）_正與v（H₂）_逆．都表示正反應(yīng)速率，不能說明到達平衡，故B錯誤；
C．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c） 0.2         0.2                0
變化         0.08       0.16              0.08
平衡          0.12      0.04              0.08，故平衡常數(shù)K₁=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.08}{0.12×0.0{4}^{2}}$=416.7，此時CO轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.08}{0.2}×100%$=40%，
設(shè)CO變化了xmol
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（c） 0.32           0.24         0.08
變化            x               2x             x
平衡         0.32-x       0.24-2x      0.08+x，因為可逆反應(yīng)不可能完全轉(zhuǎn)化，故0.24-2x＞0，即x＜0.12，故CO轉(zhuǎn)化率＜$\frac{0.12}{0.32}×100%$=37.5%，故再次達到平衡時CO轉(zhuǎn)化率減小，故C錯誤；
D．由以上數(shù)據(jù)得K₁＞K₂=K₃，故D正確，
故答案為：D；
（2）①根據(jù)圖知，甲醇為負極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O；
②正極發(fā)生的電極反應(yīng)為O₂ +4e^-+2CO₂=2CO₃^2-
                                    22.4    4
                                   3.36    0.6，則V（O₂）=3.36L；參與反應(yīng)的氧氣在標準狀況下體積為3.36L，物質(zhì)的量為 $\frac{3.36L}{22.4L/mol}$=0.15mol，2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，由方程式得0.15mol氧氣參與反應(yīng)生成二氧化碳的物質(zhì)的量為0.1mol，n（NaOH）=2L×0.3mol•L^-1=0.6mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.6mol：0.1mol=6：1，實質(zhì)上發(fā)生反應(yīng)CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O，溶液中碳酸根水解，溶液呈堿性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解生成碳酸氫根，故c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）鈉離子濃度最大，并且溶液中還有剩余的NaOH，故c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
故答案為：3.36L； c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

點評 本題考查反應(yīng)熱，反應(yīng)速率，平衡常數(shù)的計算，電極方程式的書寫，及離子濃度大小的比較等知識，綜合性很強，難度中等．