Question

14．甲醇燃料電池被認(rèn)為是21世紀(jì)電動(dòng)汽車(chē)候選動(dòng)力源
（1）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）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1，則反應(yīng)②的△H₂=-192.8kJ•mol^-1．
（2）工業(yè)上一般可采用如圖1所示反應(yīng)來(lái)合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室模擬該反應(yīng)并進(jìn)行分析，圖1是該反應(yīng)在不同溫度下CO的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的曲線

①該反應(yīng)的焓變△H＜0（填“＞”“＜”或“=”）．
②T₁和T₂溫度下的平衡常數(shù)大小關(guān)系是K₁＞K₂（填“＞”“＜”或“=”）
③現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO和3molH₂，測(cè)得CO 和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖2所示．從反應(yīng)開(kāi)始到平衡，CO的平均反應(yīng)速率v（CO）=0.225mol/（L•min），該反應(yīng)的平衡常數(shù)為K=$\frac{16}{3}$
④恒容條件下，達(dá)到平衡后，下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$增大的有C
A．升高溫度                             B．充入He（g）
C．再充入1molCO 和3molH₂       D．使用催化劑．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）根據(jù)先拐先平原則，由圖1可知，溫度T₁＜T₂，平衡時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)熱，K₁與K₂關(guān)系；
由圖2可知，甲醇的濃度變化量為0.75mol/L，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；根據(jù)圖象計(jì)算出反應(yīng)消耗二氧化碳的濃度，然后計(jì)算出二氧化碳的轉(zhuǎn)化率；分別計(jì)算出平衡時(shí)各組分的濃度，然后利用平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算出該溫度下的平衡常數(shù)；
要使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)．

解答 解：（1）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，則△H₂=+49.0kJ•mol^-1+（-241.8kJ•mol^-1）=-192.8kJ•mol^-1，
故答案為：-192.8kJ•mol^-1；
（2）①根據(jù)先拐先平原則，由圖1可知，溫度T₁＜T₂，平衡時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，故該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
故答案為：＜；
②平衡時(shí)，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)移動(dòng)，故該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；升高溫度，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，所以K₁＞K₂，
故答案為：＞；
③由圖2可知，10min達(dá)平衡時(shí)甲醇的濃度變化量為0.75mol/L，所以v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min）；
平衡時(shí)c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，c（CO₂）=0.25mol/L，反應(yīng)消耗二氧化碳濃度為0.75mol/L，則反應(yīng)消耗氫氣濃度為0.75mol/L×3=2.25mol/L，則達(dá)到平衡時(shí)氫氣濃度為：c（H₂）=3mol/L-2.25mol/L=0.75mol/L，所以該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$，
故答案為：0.225mol/（L•min）；$\frac{16}{3}$．
④要使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)
A．因正反應(yīng)放熱，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則n（CH₃OH）/n（CO₂）減小，故A錯(cuò)誤；
B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，但對(duì)反應(yīng)物質(zhì)來(lái)說(shuō)，濃度沒(méi)有變化，平衡不移動(dòng)，n（CH₃OH）/n（CO₂）不變，故B錯(cuò)誤；
C．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效于在原來(lái)基礎(chǔ)上縮小體積一半，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，則n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正確；
D．使用催化劑，平衡不移動(dòng)，故n（CO）和n（CH₃OH）均不變，故D錯(cuò)誤；
故答案為：C．

點(diǎn)評(píng) 本題為綜合題，涉及熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書(shū)寫(xiě)、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動(dòng)的影響因素等知識(shí)點(diǎn)，注重高考常考考點(diǎn)的考查，題目難度中等．