Question

3．工業(yè)上可由天然氣為原料制備甲醇，也可由水煤氣合成甲醇．
（1）已知2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol；CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol．試寫出由CH₄和O₂制取甲醇的熱化學(xué)方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol．
（2）還可以通過下列反應(yīng)制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．圖甲是反應(yīng)時CO（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間t的變化情況．從反應(yīng)開始到平衡，用CO表示平均反應(yīng)速率v（CO）=0.075mol•L^-1•min^-1，該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$．

（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(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強(qiáng)（P）的變化如乙圖所示．
①下列說法不能判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是AC．（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?jǐn)?shù)不再改變
C．體系中H₂的轉(zhuǎn)化率和CO的轉(zhuǎn)化率相等
D．體系中氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變
②比較A、B兩點壓強(qiáng)大小P_A＜P_B（填“＞、＜、=”）．
③若達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L．如果反應(yīng)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(zhì)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，則電池負(fù)極反應(yīng)的離子方程式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
②若電解質(zhì)溶液中KOH的物質(zhì)的量為1.0mol，當(dāng)有0.75mol甲醇參與反應(yīng)時，電解質(zhì)溶液中各種離子的物質(zhì)的量濃度由大到小的順序是c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，①+②×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）；
（2）隨反應(yīng)進(jìn)行，CO濃度減小、甲醇濃度增大，由圖可知，10min到達(dá)平衡，CO濃度變化為（0.9-0.15）mol/L=0.75mol/L，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO）；
化學(xué)平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學(xué)平衡常數(shù)中寫出；
（3）①可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說明到達(dá)平衡；
②溫度一定時，正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率增大；
③A、B溫度相同，平衡常數(shù)相同，若達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L，CO轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的CO為10mol×50%=5mol，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10      20        0
變化量（mol）：5       10       5
平衡量（mol）：5      10       5
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
計算B狀態(tài)時各組分物質(zhì)的量，再結(jié)合平衡常數(shù)計算體積；
（4）①原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
②當(dāng)有0.75mol甲醇參與反應(yīng)時，產(chǎn)生的二氧化碳是0.75mol，和1mol氫氧化鉀反應(yīng)，根據(jù)元素守恒：n （K₂CO₃）+n （KHCO₃）=0.75mol，2n （K₂CO₃）+n（KHCO₃）=1mol，聯(lián)立解得：n （K₂CO₃）=0.25mol，n （KHCO₃）=0.5mol，溶液呈堿性，且水解程度不大．

解答 解：（1）已知：①2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，①+②×2可得：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）隨反應(yīng)進(jìn)行，CO濃度減小、甲醇濃度增大，由圖可知，10min到達(dá)平衡，CO濃度變化為（0.9-0.15）mol/L=0.75mol/L，則v（CO）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol•L^-1•min^-1；
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，
故答案為：0.075mol•L^-1•min^-1；$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
（3）①A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，均表示正反應(yīng)速率，反應(yīng)始終按該比例關(guān)系進(jìn)行，不能說明到達(dá)平衡，當(dāng)H₂的消耗速率等于CH₃OH的消耗速率的2倍時，反應(yīng)到達(dá)平衡，故A錯誤；
B．H₂的體積分?jǐn)?shù)不再改變是化學(xué)平衡的特征，達(dá)到了平衡，故B正確；
C．氫氣、CO的轉(zhuǎn)化率與它們起始物質(zhì)的量有關(guān)，平衡時不一定相等，若起始物質(zhì)的量之比等于化學(xué)計算量之比，轉(zhuǎn)化率始終相等，故C錯誤；
D．混合氣體總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行，混合氣體總物質(zhì)的量減小，平均摩爾質(zhì)量增大，混合氣體氣體的平均摩爾質(zhì)量不再改變，說明達(dá)到了平衡，故D正確．
故選：AC；
②溫度一定時，正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故壓強(qiáng)P_A＜P_B，
故答案為：＜；
③若達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)A時，容器的體積為20L，CO轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的CO為10mol×50%=5mol，則：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10     20         0
變化量（mol）：5      10         5
平衡量（mol）：5     10         5
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{5}{20}}{\frac{5}{20}×（\frac{10}{20}）^{2}}$=4，
如果反應(yīng)開始時仍充入10molCO和20molH₂，在平衡狀態(tài)B時CO轉(zhuǎn)化率為80%，則轉(zhuǎn)化的CO為10mol×80%=8mol，則：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10    20       0
變化量（mol）：8     16       8
平衡量（mol）：2    4       8
設(shè)體積為VL，則$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，解得V=4，
故答案為：4；
（4）①原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②當(dāng)有0.75mol甲醇參與反應(yīng)時，產(chǎn)生的二氧化碳是0.75mol，和1mol氫氧化鉀反應(yīng)，根據(jù)元素守恒：n （K₂CO₃）+n （KHCO₃）=0.75mol，2n （K₂CO₃）+n（KHCO₃）=1mol，聯(lián)立解得：n （K₂CO₃）=0.25mol，n （KHCO₃）=0.5mol，溶液呈堿性，溶液中各種離子的物質(zhì)的量濃度由大到小的順序是：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算、平衡狀態(tài)判斷、蓋斯定律應(yīng)用、原電池、離子濃度大小比較，題目比較綜合，需學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)，是對學(xué)生綜合能力的考查，（3）中體積計算為難點，注意掌握平衡常數(shù)應(yīng)用，難度中等．