Question

工業(yè)上一般在恒容密閉容器中可以采用下列反應(yīng)合成甲醇：

CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）根據(jù)圖1請寫出合成甲醇的熱化學方程式

 

（熱量用E₁、E₂或E₃表示）．
（2）判斷反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的依據(jù)是

 

（填字母序號）．
A.2v（H₂）（逆）=v（CO）（正）     B．混合氣體的密度不變
C．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變   D．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化
E．容器內(nèi)CO、H₂、CH₃OH的濃度之比為1：2：1
（3）在一定溫度下，若將4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密閉容器中，充分反應(yīng)后測得CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

．若此時再向該容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，判斷平衡移動的方向是

 

（“正向移動”“逆向移動”或“不移動”）；與原平衡相比，CO的物質(zhì)的量濃度

 

（填“增大”、“不變”或“減小”）．
（4）某甲烷燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料做電極．為了使該燃料電池長時間穩(wěn)定運行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持穩(wěn)定，電池工作時必須有部分A物質(zhì)參加循環(huán)（如圖）．該原電池的負極反應(yīng)式可表示為

 

．

Answer 1

考點：熱化學方程式,化學電源新型電池,化學平衡的影響因素,化學平衡狀態(tài)的判斷,化學平衡的計算

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）圖象分析反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)的焓變=斷裂化學鍵吸收的能量-形成化學鍵放出的熱量，標注物質(zhì)的聚集狀態(tài)和對應(yīng)反應(yīng)的焓變寫出；
（2）可逆反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等（同種物質(zhì)）或正逆反應(yīng)速率之比等于系數(shù)之比（不同物質(zhì)），平衡時各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不變，以此分析；
（3）依據(jù)化學平衡三段式列式計算平衡濃度，結(jié)合平衡常數(shù)概念就是得到，通過計算濃度商和平衡常數(shù)比較分析判斷反應(yīng)進行的方向；
（4）燃料電池中，正極發(fā)生的反應(yīng)是氧氣得電子被還原的過程，負極是甲烷失電子生成二氧化碳；電池是以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，可以循環(huán)利用的物質(zhì)只有二氧化碳．

解答： 解：（1）圖象分析反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)的焓變=斷裂化學鍵吸收的能量-形成化學鍵放出的熱量=E₁-E₃，標注物質(zhì)的聚集狀態(tài)和對應(yīng)反應(yīng)的焓變寫出熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ；
（2）判斷反應(yīng)達到平衡狀態(tài)的依據(jù)正逆反應(yīng)速率相等，平衡時各種物質(zhì)的物質(zhì)的量、濃度等不再發(fā)生變化；
A．v（H₂）（逆）=2v（CO）（正），說明氫氣正逆反應(yīng)速率相同說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，2v（H₂）（逆）=v（CO）（正）不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；
B．混合物的質(zhì)量始終不變，容器的體積不變，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故B錯誤；
C．反應(yīng)前后，混合氣體的物質(zhì)的量改變，氣體的質(zhì)量不變，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，混合氣體的相對平均分子質(zhì)量不變，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故C正確；
D．反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發(fā)生變化，所以能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故D正確；
E．容器內(nèi)CO、H₂、CH₃OH的濃度之比為1：2：1，和起始量，變化量有關(guān)，不能作為平衡的標志，故E錯誤；
故選CD；
（3）在一定溫度下，若將4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密閉容器中，充分反應(yīng)后測得CO的轉(zhuǎn)化率為50%，依據(jù)平衡三段式列式計算；
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  a       2a          0
變化量（mol/L）50%×a    a           0.5a
平衡量（mol/L）0.5a      a           0.5a
則該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

0.5a

0.5a×a2

=

1

a2

；
若此時再向該容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，濃度為c（CO）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，c（H₂）=

2a

2

mol/L+amol/L=2a，c（CH₃OH）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，Q=

a

a×(2a)2

=

1

4a2

＜K=

1

a2

，判斷平衡移動的方向是反應(yīng)正向進行；達到新平衡與原平衡相比，CO的物質(zhì)的量濃度增大；
故答案為：

1

a2

；正向移動；增大；
（4）燃料電池中，正極反應(yīng)一定是氧氣得電子，該電池的電解質(zhì)環(huán)境是熔融碳酸鹽，所以電極反應(yīng)為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO ₃^2-，負極是燃料失電子生成二氧化碳，負極電極反應(yīng)為：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O；
故答案為：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．

點評：本題考查了影響化學平衡移動的因素、平衡狀態(tài)的判斷、平衡常數(shù)計算、原電池原理和電極反應(yīng)書寫等知識點，熱化學方程式書寫與圖象分析方法是解題關(guān)鍵，題目難度中等．