Question

10．甲醇合成反应及其能量变化如图1所示：
（1）写出合成甲醇的热化学方程式：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1．
（2）实验室在1L的密闭容器中进行模拟上述甲醇合成实验．将1mol CO和2mol H₂通入容器中，分别恒温在300℃和500℃反应，每隔一段时间测得容器内CH₃OH的浓度如下表所示：

时间 浓度（mol?L-1） 温度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

①下列措施中有利于增大上述反应的反应速率的是cd（填字母序号）．
a．随时将CH₃OH与反应混合物分离          b．降低反应温度
c．增大体系压强                           d．使用高效催化剂
②在300℃反应开始10min内，H₂的平均反应速率为υ（H₂）=0.08 mol?L^-1?min^-1．
③在500℃达到平衡时，平衡常数K=25．
④在另一体积不变的密闭容器中，充入1.2mol CO和2.0mol H₂，在一定条件下达到平衡，测得容器中压
强为起始压强的一半，该条件下H₂的转化率为80%．
（3）乙醇燃料电池具有很高的实用价值．图2所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测．则该电池的负极反应式为CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

Answer 1

分析 （1）由图可知，1molO（g）、2molH₂（g）合成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ；
（2）①加入催化剂、升高温度、增大压强、增大物质浓度等均可以增大反应速率；
②根据v=$\frac{△c}{△t}$计算υ（CH₃OH），再利用速率之比等于化学计量数之比计算υ（H₂）；
③在500℃时，40min达到平衡，计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算；
④恒温恒容下，利用压强之比等于物质的量之比计算平衡时混合气体总物质的量，再利用差量法计算参加反应氢气物质的量，进而计算H₂的转化率；
（3）负极发生氧化反应，由示意图可知，乙醇在负极失去电子得到乙酸，由元素守恒应有水参与反应，由电荷守恒应生成氢离子，氢离子通过质子交换膜，与正极的氧离子结合生成水．

解答 解：（1）由图可知，1molO（g）、2molH₂（g）合成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ，热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1，
故答案为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ?mol^-1；
（2）①a．随时将CH₃OH与反应混合物分离，生成物浓度减小，反应速率减慢，故a错误；
b．降低反应温度，反应速率减慢，故b错误；
c．反应各组分均为气体，增大体系压强，反应速率加快，故c正确；
d．使用高效催化剂，降低活化能，反应速率加快，故d正确，
故选：cd；
②在300℃反应开始10min内，υ（CH₃OH）=$\frac{0.4mol/L}{10min}$=0.04 mol?L^-1?min^-1，速率之比等于化学计量数之比，则υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=0.08 mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.08 mol?L^-1?min^-1；
③在500℃时，40min达到平衡，平衡时甲醇浓度为0.8mol/L，则：
              CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
起始量（mol/L）：1      2         0
转化量（mol/L）：0.8    1.6       0.8
平衡量（mol/L）：0.2    0.4       0.8
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，
故答案为：25；
④恒温恒容下，压强之比等于物质的量之比，故平衡时混合气体总物质的量为（1.2mol+2mol）×$\frac{1}{2}$=1.6mol，
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△n
        2                  2
        n（H₂）              3.2mol-1.6mol=1.6mol
故n（H₂）=1.6mol，则H₂的转化率为$\frac{1.6mol}{2mol}$×100%=80%，
故答案为：80%；
（3）负极发生氧化反应，由示意图可知，乙醇在负极失去电子得到乙酸，由元素守恒应有水参与反应，由电荷守恒应生成氢离子，氢离子通过质子交换膜，与正极的氧离子结合生成水，负极电极反应为：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺，
故答案为：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

点评 本题比较综合，涉及化学平衡计算、反应速率影响因素、热化学方程式书写、原电池等，（3）中注意根据原电池示意图判断发生的反应，难度中等．