Question

18．甲醇的研究成為當(dāng)代社會的熱點．

Ⅰ．甲醇燃料電池（DNFC）被認為是21世紀(jì)電動汽車最佳候選動力源．
（1）101kP  時，1mol CH₃OH完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物放出熱量726.51kJ/mol，則甲醇燃燒的熱化學(xué)方程式為CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1．
（2）甲醇質(zhì)子交換膜燃料電池中將甲醇蒸汽轉(zhuǎn)化為氫氣的兩種反應(yīng)原理是：
①CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H₂
已知H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═$\frac{1}{2}$H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
則反應(yīng)②的△H₂=-192.8kJ•mol^-1．
（3）甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1．負極發(fā)生的電極反應(yīng)為CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂．
Ⅱ．一定條件下，在體積為3L的密閉容器中反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）達到化學(xué)平衡狀態(tài)．
（1）根據(jù)圖2，縱坐標(biāo)為CH₃OH的物質(zhì)的量，升高溫度，K值將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）500℃時，從反應(yīng)開始到達到化學(xué)平衡，以H₂的濃度變化表示的化學(xué)反應(yīng)速率是$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min）（用n_B、t_B表示）．
（3）判斷該可逆反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志是ac（填字母）．
a．CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化
b．混合氣體的密度不再改變
c．混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變
d．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）
e．混合氣中n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1
（4）300℃時，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，在其他條件不變的情況下，對平衡體系產(chǎn)生的影響是cd（填字母）．
a．c（H₂）減少                b．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
c．CH₃OH 的物質(zhì)的量增加       d．重新平衡時$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減�。�

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依據(jù)燃燒熱概念是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物放出的熱量，根據(jù)題干所給量結(jié)合熱化學(xué)方程式書寫方法，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對應(yīng)焓變；
（2）由蓋斯定律可知，①CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1、③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1，①+③得到反應(yīng)②；
（3）甲醇燃料電池中，甲醇為負極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)結(jié)合電荷守恒和原子守恒寫出為：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂，氧氣在正極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；
Ⅱ．（1）平衡常數(shù)是衡量反應(yīng)進行程度的物理量，根據(jù)升高溫度乙醇的物質(zhì)的量減小，平衡逆向移動，判斷平衡常數(shù)的變化；
（2）結(jié)合圖象中甲醇物質(zhì)的量變化計算用甲醇表示的反應(yīng)速率，化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比，以此計算H₂的濃度變化表示的化學(xué)反應(yīng)速率，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）計算得到；
（3）達到平衡時，正逆反應(yīng)速率相等，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變，CO、H₂、CH₃OH的濃度不再改變；
（4）將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，反應(yīng)速率增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，以此判斷．

解答 解：Ⅰ．（1）在25℃、101kPa下，1mol CH₃OH液體完全燃燒生成CO₂和液態(tài)水時放出熱量726.51kJ，則表示甲醇燃燒熱的熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1；
（2）①CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1，
②CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H₂，
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1，
依據(jù)蓋斯定律計算①+③得到反應(yīng)②，則△H₂=+49.0kJ•mol^-1+（-241.8kJ•mol^-1）=-192.8kJ•mol^-1，
故答案為：-192.8kJ•mol^-1；
（3）甲醇燃料電池中，甲醇中C元素的化合價升高，則甲醇為負極，失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在酸性溶液中生成二氧化碳，電極反應(yīng)結(jié)合電荷守恒和原子守恒寫出為：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂，故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂；
Ⅱ．（1）由圖象2可知升高溫度乙醇的物質(zhì)的量減少，平衡向逆反應(yīng)方向移動，K減小，
故答案為：減小；
（2）500℃時，從反應(yīng)開始到達到化學(xué)平衡，結(jié)合圖象中甲醇物質(zhì)的量變化計算用甲醇表示的反應(yīng)速率，化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計量數(shù)之比，以此計算H₂的濃度變化表示的化學(xué)反應(yīng)速率，υ（CH₃OH）=$\frac{{n}_{B}}{{n}_{t}×3L}$mol/（L．min），故υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min），
故答案為：$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min）；
（3）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），達到平衡時，正逆反應(yīng)速率相等，混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變，CO、H₂、CH₃OH的濃度不再改變，在體積不變時，氣體的密度不變，不能作為判斷是否達到平衡狀態(tài)的依據(jù)，
a．CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化是平衡的標(biāo)志，故a正確；
b．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，容器體積不變，反應(yīng)過程中和平衡狀態(tài)下混合氣體的密度始終不改變，不能說明費用達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量不變，氣體物質(zhì)的量變化，當(dāng)混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不再改變，說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計算數(shù)之比，為正反應(yīng)速率之比，v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）只能說明平衡正向進行時甲醇和一氧化碳的反應(yīng)速率相同，不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，當(dāng)v_生成（CH₃OH）=v_生成（CO）能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故d錯誤；
e．混合氣中n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1，不能說明反應(yīng)正逆反應(yīng)速率相同，不能說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故e錯誤；
故答案為：ac；
（4）a．將容器的容積壓縮到原來的 $\frac{1}{2}$，壓強增大，正逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CH₃OH的物質(zhì)的量增加，氫氣的物質(zhì)的量減少，但體積改變影響大于平衡移動的影響，所以氫氣濃度增大，故a錯誤；
b．縮小體積增大壓強，正逆反應(yīng)速率都增大，故b錯誤；
c．平衡向正反應(yīng)方向移動，甲醇的物質(zhì)的量增多，故c正確；
d．平衡向正反應(yīng)方向移動，甲醇濃度增大，氫氣濃度減小，故有$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故d正確；
故答案為：cd．

點評 本題考查化學(xué)平衡的影響因素和化學(xué)平衡的標(biāo)志，熱化學(xué)方程式書寫，原電池原理的理解應(yīng)用等問題，題目難度中等，注意外界條件對化學(xué)平衡移動的影響以及平衡狀態(tài)的判斷角度．