Question

16．化学反应的能量变化、速率、限度是化学研究的重要内容．
（1）有关研究需要得到C₃H₈（g）=3C（石墨，s）+4H₂（g）的△H，但测定实验难进行．
设计如图1可计算得到：
①△H＞0（填＞、＜或=）
②△H=△H₁-△H₂-△H₃．（用图中其它反应的反应热表示）
（2）甲酸、甲醇、甲酸甲酯是重要化工原料．它们的一些性质如下：

物质	HCOOH	CH3OH	HCOOCH3
主要 性质	无色液体，与水互溶 K（HCOOH）＞K（CH3COOH）	无色液体，与水互溶	无色液体，在水中溶解度小，与醇互溶

工业制备甲酸原理：HCOOCH₃（l）+H₂O（l）$\stackrel{H+}{?}$ HCOOH（l）+CH₃OH（l），反应吸热，但焓变的值很小．常温常压下，水解反应速率和平衡常数都较小．
①工业生产中，反应起始，在甲酸甲酯和水的混合物中加入少量甲酸和甲醇，从反应速率和限度的角度分析所加甲酸和甲醇对甲酸甲酯水解的影响．甲醇：是很好的溶剂，能溶于水和HCOOCH₃，增大反应接触面积，加快反应速率；同时，甲醇也是生成物，生物浓度增加，不利于平衡右移．甲酸：甲酸能电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，同时，甲酸也是生成物，生成物浓度增加，不利于平衡右移．某小组通过试验研究反应HCOOCH₃转化率随时间变化的趋势，在温度T₁下，采用酯水比为1：2进行实验，测得平衡是HCOOCH₃的转化率为25%．
②预测HCOOCH₃转化率随时间的变化趋势并画图2表示．
③该反应在温度T₁下的平衡常数K=0.048．（保留两位有效数字）
（3）HCOOH成为质子膜燃料电池的燃料有很好的发展前景．写出该燃料电池的电极反应式：O₂ +4e^-+4H⁺=2H₂O； 2HCOOH-4e^-=2CO₂ ↑+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）由图象可知，反应物总能量小于生成物总能量，则正反应为吸热反应，结合盖斯定律计算反应热；
（2）①加入甲醇，增大反应接触面积，加快反应速率，加入甲酸，甲酸能电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，甲醇、甲酸都是生成物，增大生成物浓度，平衡逆向移动；
②反应开始时速率较慢，生成甲酸电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，随着反应的进行，浓度逐渐减小，反应速率逐渐减慢，以此预测HCOOCH₃转化率随时间的变化趋势；
③测得平衡是HCOOCH₃的转化率为25%，结合酯水比为1：2以及K=$\frac{c（HCOOH）•c（C{H}_{3}OH）}{c（HCOOC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}$计算；
（3）HCOOH成为质子膜燃料电池的燃料有很好的发展前景，酸性条件下形成原电池反应时，负极发生氧化反应，HCOOH被氧化生成二氧化碳，正极发生还原反应，氧气被还原生成水．

解答 解：（1）①由图象可知，反应物总能量小于生成物总能量，则正反应为吸热反应，即△H＞0，故答案为：＞；
②由图象可知|△H|+|△H₁|=|△H₂|+|△H₃|，因△H₁、△H₂、△H₃都小于0，则△H=△H₁-△H₂-△H₃，故答案为：△H₁-△H₂-△H₃；
（2）①加入甲醇，增大反应接触面积，加快反应速率，加入甲酸，甲酸能电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，甲醇、甲酸都是生成物，增大生成物浓度，平衡逆向移动，即甲醇：是很好的溶剂，能溶于水和HCOOCH₃，增大反应接触面积，加快反应速率；同时，甲醇也是生成物，生物浓度增加，不利于平衡右移；甲酸：甲酸能电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，同时，甲酸也是生成物，生成物浓度增加，不利于平衡右移，
故答案为：是很好的溶剂，能溶于水和HCOOCH₃，增大反应接触面积，加快反应速率；同时，甲醇也是生成物，生物浓度增加，不利于平衡右移；甲酸能电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，同时，甲酸也是生成物，生成物浓度增加，不利于平衡右移；
②反应开始时速率较慢，生成甲酸电离出H⁺作催化剂能加快反应速率，随着反应的进行，浓度逐渐减小，反应速率逐渐减慢，以此预测HCOOCH₃转化率随时间的变化趋势为，故答案为：；
③测得平衡是HCOOCH₃的转化率为25%，结合酯水比为1：2，设HCOOCH₃为1mol，则水为2mol，平衡生成HCOOH、CH₃OH都为0.25mol，剩余HCOOCH₃0.75mol，水1.75mol，
K=$\frac{c（HCOOH）•c（C{H}_{3}OH）}{c（HCOOC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.25×0.25}{0.75×1.75}$=0.048，
故答案为：0.048；
（3）HCOOH成为质子膜燃料电池的燃料有很好的发展前景，酸性条件下形成原电池反应时，负极发生氧化反应，HCOOH被氧化生成二氧化碳，电极方程式为2HCOOH-4e^-=2CO₂ ↑+4H⁺，正极发生还原反应，氧气被还原生成水，电极方程式为O₂ +4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：O₂ +4e^-+4H⁺=2H₂O； 2HCOOH-4e^-=2CO₂ ↑+4H⁺．

点评 本题考查较为综合，为高考常见题型，侧重于考生对反应热、化学平衡其影响因素以及化学电源的理解和应用的考查，对化学平衡常数简单计算的掌握，注重考查学生知识迁移、读图及表达能力，难度中等．