Question

20．甲醇是有机化工原料和优质燃料，主要应用于精细化工、塑料等领域，也是农药、医药的重要原料之一．回答下列问题：
（1）工业上可用CO₂ 和H₂反应合成甲醇．已知25℃、101kPa 下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H1=-242kJ/mol
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol
①写出CO₂与H₂反应生成CH₃OH（g）与H₂O（g）的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol．下列表示该反应的能量变化的示意图中正确的是a（填字母代号）．

②合成甲醇所需的H₂可由下列反应制取：H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）．某温度下该反应的平衡常数K=1．若起始时c（CO）=1mol/L，c（H₂O）=2mol/L，则达到平衡时H₂O的转化率为33.3%．
（2）CO和H₂反应也能合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₂OH（g）△H=-90.1kJ/mol．在250℃下，将一定量的CO和H₂投入10L的恒容密闭容器中，各物质的浓度（mol/L）变化如表所示（前6min没有改变条件）：

	2min	4min	6min	8min	…
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	…
H2	x	0.12	0.12	0.2	…
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	…

①x=0.14，250℃时该反应的平衡常数K=46.3．
②若6～8min时只改变了一个条件，则改变的条件是加入1mol氢气，第8min时，该反应是否达到平衡状态？不是（填“是”或“不是”）．
（3）甲醇在原电池上的使用，提高了燃料的利用效率，达到节能减排的目的．若用熔融的Na₂CO₃使作电解质、氧气作助燃剂组成的燃料电池，写出负极的电极反应式：2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）；
气态产物能量比液态产物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反应为放热反应，反应物的能量高于生成物的能量；
②若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，设H₂O的浓度变化量为xmol/L，则：
              H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始量（mol/L）：2       1       0       0
变化量（mol/L）：x       x       x        x
平衡量（mol/L）：2-x     1-x     x        x
再根据平衡常数列方程计算解答；
（2）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式计算氢气的浓度变化量，2min时氢气浓度=4min时氢气浓度+氢气浓度变化量；
4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，代入平衡浓度计算；
②对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氢气；
计算浓度商Qc，与平衡常数相比判断第8min时是否达到平衡状态；
（3）用熔融的Na₂CO₃使作电解质、氧气作助燃剂组成的燃料电池，负极上甲醇被氧化生成二氧化碳和水．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=3×（-242kJ/mol）-（-676kJ/mol）=-50 kJ/mol，
故热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
气态产物能量比液态产物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反应为放热反应，反应物的能量高于生成物的能量，则符合条件的图象是a，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；a；
②若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，设H₂O的浓度变化量为xmol/L，则：
                      H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）：2       1                0             0
变化量（mol/L）：x       x                x             x
平衡量（mol/L）：2-x     1-x            x              x
则$\frac{x×x}{（1-x）×（2-x）}$=4，解得x=$\frac{2}{3}$，
故水的转化率为$\frac{\frac{2}{3}mol/L}{2mol/L}$×100%=33.3%，
故答案为：33.3%；
（2）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式可知氢气的浓度变化量为0.01mol/L×2=0.02mol/L，2min时氢气浓度=0.12mol/L+0.02mol/L=0.14mol/L，
4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，故平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$=46.3，
故答案为：0.14；46.3；
②对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氢气；
8min时浓度商Qc=$\frac{0.05}{0.05×0．{2}^{2}}$=25＜K=46.3，故8min时不是平衡状态，反应向正反应进行，
故答案为：加入1mol氢气；不是；
（3）甲醇燃料电池中，甲醇在负极发生氧化反应2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O，
故答案为：2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算及影响因素、平衡常数计算及应用、热化学方程式书写、原电池等知识，为高考常见题型和高频考点，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，难度中等．