Question

8．甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上一般可采用如下反应来合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），现在实验室模拟该反应并进行分析．

（1）下列各项中，不能够说明该反应已达到平衡的是d（填序号）．
a．恒温、恒容条件下，容器内的压强不发生变化
b．一定条件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等
c．一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变
d．一定条件下，单位时间内消耗2mol CO，同时生成1mol CH₃OH
（2）图1是该反应在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线．
①该反应的焓变△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②T₁和T₂温度下的平衡常数大小关系是K₁＞K₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
③若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是b．
a．升高温度   
b．将CH₃OH（g）从体系中分离
c．使用合适的催化剂
d．充入He，使体系总压强增大
（3）2009年10月，中国科学院长春应用化学研究所在甲醇燃料电池技术方面获得新突破，甲醇燃料电池的工作原理如图2所示．
①请写出c口通入的物质发生的相应电极反应式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O
②工作一段时间后，当0.2mol甲醇完全反应生成CO₂时，有1.2N_A个电子转移．

Answer 1

分析 （1）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等（同种物质）或正逆反应速率之比等于系数之比（不同物质），平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，由此衍生的一些物理量不变，以此分析；
（2）①根据温度对化学平衡的影响来回答；
②温度对化学平衡常数的影响和反应的吸放热有关；
③化学平衡正向移动可增加甲醇产率；
（3）在甲醇燃料电池中，燃料甲醇作负极，发生失电子的氧化反应，氧气作正极，发生得电子的还原反应，根据电极反应以及电子守恒来计算转移电子的量．

解答 解：（1）a．由方程式可以看出，反应前后气体的物质的量不相等，只有达到平衡状态，容器压强不发生变化，能判断反应达到平衡状态，故a错误；
b．一定条件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等，即正逆反应速率相等，所以能判断反应达到平衡状态，故b错误；
c、一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变是平衡的标志，故c错误；
d、一定条件下，单位时间内消耗2molCO，同时生成1mol CH₃OH，只能表明正反应速率，不能表示正逆反应速率相等，故d正确；
故选d；
（2）①反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）中，反应向右进行，一氧化碳的转化率增大，温度升高，化学平衡向着吸热方向进行，根据图中的信息可以知道：T₂＞T₁，所以该反应是放热反应，＜0，故答案为：＜；
②对于放热反应，温度越高，化学平衡常数越小，T₂＞T₁，反之越大，所以K₁＞K₂，故答案为：＞；
③a、若容器容积不变，升高温度，反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡逆向移动，甲醇产率降低，故a错误；
b、将CH₃OH（g）从体系中分离，反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡正向移动，甲醇产率增大，故b正确；
c、使用合适的催化剂不会引起化学平衡的移动，甲醇的转化率不变，故c错误；
d、若容器容积不变，充入He，使体系总压强增大，单质各组分的浓度不变，化学平衡不移动，甲醇的转化率不变，故d错误；
故选b；
（3）①在甲醇燃料电池中，燃料甲醇作负极，氧气作正极，电解质中的阳离子移向正极，所以b口通入的物质为甲醇，c口通入的物质为氧气，该电池正极是氧气发生得电子的还原反应，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
②当0.2mol甲醇完全反应生成CO₂时，根据总反应：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，消耗氧气0.3mol，转移电子1.2mol；
故答案为：1.2N_A．

点评 本题是一道关于化学平衡状态的判断、化学平衡的移动以及燃料电池的工作原理知识的考题，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度不大．