Question

12．工业上一般在恒容密闭容器中可以采用下列反应合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）能判断反应达到平衡状态的依据是CD （填字母序号）．
A．2V_逆（H₂）=V_正（CO）
B．混合气体的密度不变
C．混合气体的平均相对分子质量不变
D．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化
E．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1
F、CO、H₂、CH₃OH的速率之比为1：2：1
（2）CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图1，该反应△H＜0（填“＞”或“＜”）

（3）一定温度下，将4a mol H₂和2amol CO放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为50%，则：
①该反应的平衡常数为$\frac{1}{{a}^{2}}$．
②若此时再向该容器中投入a mol CO、2amol H₂ 和amol CH₃OH，判断平衡移动的方向是正向移动 （“正向移动”“逆向移动”或“不移动”）；
③在其他条件不变的情况下，将容器体积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，与原平衡相比，下列有关说法正确的是BC（填字母）．
A．H₂的浓度减小；
B．正反应速率加快，逆反应速率也加快；
C．甲醇的物质的量增加；
D．重新平衡时，$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大；
（4）图2表示在温度分别为T₁、T₂时，平衡体系中H₂的体积分数随压强变化曲线，A、C两点的反应速率A＜ C（填“＞”、“=”或“＜”，下同），A、C两点的化学平衡常数A= C，由状态B到状态A，可采用降温的方法（填“升温”或“降温”）．
（5）甲醇燃料电池（电解质溶液为KOH溶液）结构示意图3，写出 a处电极上发生的电极反应式CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，反应体系中各物质的物质的量、物质的量浓度、百分含量以及由此引起的一系列物理量不变；
（2）相同压强下，升高温度平衡向吸热方向移动；
（3）①在一定温度下，若将4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为50%，依据平衡三段式列式计算；
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  a       2a          0
变化量（mol/L）50%×a    a           0.5a
平衡量（mol/L）0.5a      a           0.5a
化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
    ②若此时再向该容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，浓度为c（CO）=$\frac{a}{2}$mol/L+0.5amol/L=amol/L，c（H₂）=$\frac{2a}{2}$+amol/L=2a，c（CH₃OH）=$\frac{a}{2}$mol/L+0.5amol/L=amol/L，
根据浓度商与化学平衡常数相对大小判断平衡移动方向；
  ③在其他条件不变的情况下，将容器体积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大平衡正向移动；
（4）压强越大化学反应速率越大，压强A＜C，所以反应速率A＜C；
化学平衡常数只与温度有关；相同压强下，温度从T₁到T₂，氢气体积分数增大平衡逆向移动，正反应是放热反应，平衡向吸热方向移动，说明T₁＜T₂；
（5）甲醇燃料电池中通入甲醇的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，根据电子移动方向知，通入a的电极是负极、通入b的电极是正极，a为甲醇，该电极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水．

解答 解：（1）A．V_逆（H₂）=2V_正（CO）=V_正（H₂）时该反应达到平衡状态，所以当2V_逆（H₂）=V_正（CO）
时该反应没有达到平衡状态，故A错误；
B．反应前后气体总质量不变、容器体积不变，所以混合气体的密度始终不变，不能据此判断平衡状态，故B错误；
C．反应前后气体的总质量不变但气体的总物质的量减小，其平均相对分子质量增大，当混合气体的平均相对分子质量不变时各物质的物质的量不变，反应达到平衡状态，故C正确；
D．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化时，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故D正确；
E．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1时，该反应可能达到平衡状态也可能没有达到平衡状态，与反应初始浓度及转化率有关，故E错误；
F．CO、H₂、CH₃OH的速率之比为1：2：1时该反应可能达到平衡状态也可能没有达到平衡状态，因为没有明确反应方向，所以不能判断平衡状态，故F错误；
故选CD；
（2）相同压强下，升高温度平衡向吸热方向移动，根据图知相同压强下升高温度CO转化率降低，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应，△H＜0，故答案为：＜；
（3）①在一定温度下，若将4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为50%，依据平衡三段式列式计算；
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  a       2a          0
变化量（mol/L）50%×a    a           0.5a
平衡量（mol/L）0.5a      a           0.5a
则该反应的平衡常数K=$\frac{0.5a}{0.5a×{a}^{2}}$=$\frac{1}{{a}^{2}}$，
故答案为：$\frac{1}{{a}^{2}}$；
②若此时再向该容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，浓度为c（CO）=0.5amol/L+0.5amol/L=amol/L，c（H₂）=$\frac{2a}{2}$+amol/L=2a，c（CH₃OH）=0.5amol/L+0.5amol/L=amol/L，Q=$\frac{a}{a×（2a）^{2}}$=$\frac{1}{4{a}^{2}}$＜K，平衡正向移动，故答案为：正向移动；
③缩小体积压强增大平衡正向移动，
A．容器体积降为原来的一半，平衡正向移动，氢气的物质的量减少导致氢气浓度减小但大于未减小容器体积时浓度，故A错误；
B．压强增大，反应物、生成物浓度都增大，所以正逆反应速率都增大，故B正确；
C．平衡正向移动，则甲醇的物质的量增加，故C正确；
D．平衡正向移动，氢气的物质的量减少、甲醇的物质的量增大，所以重新平衡时，$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$减小，故D错误；
故选BC；
（4）压强越大化学反应速率越大，压强A＜C，所以反应速率A＜C；
化学平衡常数只与温度有关，A、C点温度相同所以化学平衡常数相对；相同压强下，温度从T₁到T₂，氢气体积分数增大平衡逆向移动，正反应是放热反应，平衡向吸热方向移动，说明T₁＜T₂；由A到B采用降温方法，
故答案为：＜；=；降温；
（5）甲醇燃料电池中通入甲醇的电极是负极、通入氧化剂的电极是正极，根据电子移动方向知，通入a的电极是负极、通入b的电极是正极，a为甲醇，该电极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评 本题考查较综合，涉及化学平衡计算、外界条件对化学平衡移动影响、原电池原理等知识点，为高频考点，侧重考查学生图象分析判断及计算能力，注意：化学平衡常数只与温度有关，会根据化学平衡常数与浓度商的相对大小判断反应进行方向，题目难度不大．