Question

试运用所学知识，解决下列问题：
（1）煤化工通常通过研究不同温度下平衡常数以解决各种实际问题．已知等体积的一氧化碳和水蒸气进入反应器时，会发生如下反应：CO（g）+H₂O（g）   H₂（g）+CO₂（g），该反应平衡常数随温度的变化如下表所示：

温度/°C	400	500	800
平衡常数K	9.94	9	1

若在500℃时进行，设起始时CO和H₂O的起始浓度均为0.020mol?L^-1，在该条件下，CO的平衡转化率为

75%

．
（2）在100℃时，将0.40mol的二氧化氮气体充入2L抽真空的密闭容器中，每隔一定时间就对该容器内的物质进行分析，得到如下表数据：

时间/s	0	20	40	60	80
n（NO2）/mol	0.40	n1	0.26	n3	n4
n（N2O4）/mol	0.00	0.05	n2	0.08	0.08

①n₃

=

n₄（填“＞”或“＜”或“=”），该反应的平衡常数的值为

2.8

；
②若在相同情况下最初向该容器充入的是四氧化二氮气体，要达到上述同样的平衡状态，四氧化二氮的起始浓度是

0.1

mol?L^-1，假设在80s时达到平衡，请在右图中画出并标明该条件下此反应中N₂O₄和NO₂的浓度随时间变化的曲线．
（3）以甲醇为燃料制成燃料电池，请写出在氢氧化钾介质中该电池的正极反应式

O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

．

Answer 1

分析：（1）令CO的浓度变化为c，用三段式表示出各物质变化的浓度、平衡时的浓度，再根据平衡常数计算．
（2）①反应达到60s时达到化学平衡状态，二氧化氮的物质的量不再变化，计算出平衡时各物质的浓度，根据平衡常数的计算公式计算．
 ②根据等效平衡计算出平衡时四氧化二氮的物质的量浓度，以此画出图象，注意N₂O₄、NO₂的起始浓度、平衡浓度，NO₂的浓度变化与N₂O₄的浓度变化关系．
（3）甲醇为原料的燃料电池，甲醇为负极，氧气是正极，根据两极的放电规律来回答．

解答：解：（1）对于反应  CO（g）+H₂O（g）   H₂（g）+CO₂（g），
开始（mol/L）：0.02     0.02                    0     0
变化（mol/L）：c        c                       c     c
平衡（mol/L）：0.02-c     0.02-c               c     c
所以

c×c

(0.02-c)×(0.02-c)

=9，解得c=0.015
所以CO的转化率为

0.015mol/L

0.02mol/L

×100%=75%．
故答案为：75%．
（2）①由表可知，60s时反应达到化学平衡状态，二氧化氮的物质的量不再变化，所以n₃=n₄，
根据反应方程式计算：
       2NO₂N₂O₄
初始：0.4mol     0
转化：0.16mol     0.08mol
平衡：0.24mol     0.08mol
则平衡时的浓度分别为：c（N₂O₄）=0.04mol/L，c（NO₂）=0.12mol/L，
所以该温度下该反应平衡常数k=

0.04

0.122

=2.8
故答案为：=；  2.8
②根据反应 2NO₂N₂O₄可知，0.4molNO₂与0.2molN₂O₄相当，若在相同情况下最初向该容器充入的是四氧化二氮气体，要达到上述同样的平衡状态，四氧化二氮的起始浓度是

0.2mol

2L

=0.1mol/L．
根据反应 2NO₂N₂O₄可知，NO₂的浓度随时间变化为N₂O₄的浓度变化2倍．从放入N₂O₄到平衡时需要80s，初始加入的N₂O₄的物质的量浓度为0.1mol/L，平衡时N₂O₄的物质的量浓度为0.04mol/L，NO₂的物质的量浓度为2×（0.1mol/L-0.04mol/L）=0.12mol/L，图象可取起点、20s、80s等几个点用平滑曲线来连接．
故答案为：
（3）甲醇为原料的燃料电池中，燃料甲醇为负极，发生失电子的氧化反应，氧气是正极，发生得电子得还原反应，氢氧化钠为电解质，在碱性环境下，氧气的放电情况为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-．

点评：本题考查化学反应速率、平衡移动相关计算、原电池等，题目较为综合，涉及多方面的知识，难度中等，本题中注意把握等效平衡的解题应用．