Question

4．开发、使用清洁能源发展“低碳经济”，正成为科学家研究的主要课题．氢气、甲醇是优质的清洁燃料，可制作燃料电池．
（1）已知：①2CH₃OH（1）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（1）△H₃=-44.0kJ•mol^-1写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1
（2）生产甲醇的原料CO和H₂来源于：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
①一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图a．则，P_l＜P₂；A、B、C三点处对应平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小顺序为K_C＞K_B＞K_A．（填“＜”、“＞”“=”）
②100℃时，将1mol CH₄和2mol H₂O通入容积为1L 的反应室，反应达平衡的标志是：CD．
A．容器内气体密度恒定         
B．单位时间内消耗0.1mol CH₄同时生成0.3mol H₂
C．容器的压强恒定
D．3v正（CH₄）=v逆（H₂）
③如果达到平衡时CH₄的转化率为0.5，则100℃时该反应的平衡常数K=2.25
（3）某实验小组利用CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）设计成如图b所示的电池装置，负极的电极反应式为CO-2e?+4OH?=CO₃²?+2H₂O．用该原电池做电源，常温下，用惰性电极电解200mL饱和食盐水（足量），消耗标准状况下的CO 224mL，则溶液的pH=13 （不考虑溶液体积的变化）

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式，反应的热化学方程式改变系数，焓变随之改变，通过热化学方程式之间的加减计算得到；
（2）①在200℃时，看不同压强下CO的转化率大小，结合化学方程式中反应前后气体的体积变化解答；平衡常数只受温度影响，A、B、C三点处对应平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小和温度有关；
②达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不变，百分含量不变，以及由此衍生其它一些物理量不变，据此结合选项判断；
③利用三段式计算平衡时各组分的物质的量浓度，代入平衡常数表达式计算；
（3）电解质溶液呈碱性，则负极上CO失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；电解饱和食盐水的离子方程式为：2Cl^-+2H₂O=H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，根据转移电子守恒计算溶液中的氢氧根离子浓度，再确定pH．

解答 解：（1）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根据盖斯定律，将已知反应$\frac{1}{2}$×（①-②+③×4）得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以该反应的△H=$\frac{1}{2}$×[（-1275.6kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）+（-44.0kJ/mol）×4]=-442.8kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
（2）①在图a的200℃位置，平行与纵轴画一条虚线，可见CH₄的转化率P₁＞P₂，在CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）反应中，生成物的气体体积大于反应物，压强增大时平衡向逆向移动，故P₁＜P₂，平衡常数只受温度影响，压强不变升高温度，甲烷的转化率会增大，平衡正向进行，所以反应是吸热反应，温度越高，K越大，A、B、C三点处对应的温度是逐渐升高的，所以平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小顺序为K_C＞K_B＞K_A，
故答案为：＜；K_C＞K_B＞K_A；
②A．容器内气体密度=$\frac{m}{V}$，质量是守恒的，V是不变的，所以密度始终不变，当密度不变时，不一定平衡，故A错误；
B．单位时间内消耗0.1mol CH₄同时生成0.3molH₂，只能说明正反应速率，不能证明正逆反应速率相等，不一定平衡，故B错误；
C．反应是前后系数和变化的反应，当容器的压强恒定，则达到了平衡，故C正确；
D．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），能体现v（正）=v（逆），故D正确；
故答案为：CD；
③平衡时甲烷的转化为0.5，则甲烷的浓度变化量=1mol/L×0.5=0.5mol/L，
                      CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
开始（mol/L）：1            2                 0               0
变化（mol/L）：0.5        0.5               0.5           1.5
平衡（mol/L）：0.5        1.5               0.5            1.5
故平衡常数K=$\frac{0.5×1．{5}^{3}}{0.5×1.5}$=2.25，
故答案为：2.25；
（3）电解质溶液呈碱性，则负极上CO失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，负极反应式为CO-2e?+4OH?=CO₃²?+2H₂O，消耗的标准状况下的CO24mL，则CO的物质的量为$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$=0.01mol，则转移电子为0.02mol，电解饱和食盐水的离子方程式为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，由转移电子守恒可知，生成的氢氧根离子的物质的量为0.02mol，则c（OH^-）=0.1mol/L，所以pH=13．
故答案为：CO-2e?+4OH?=CO₃²?+2H₂O；13．

点评 本题考查反应热的计算、化学平衡图象及影响因素、平衡常数、平衡状态判断、原电池、电解池工作原理等知识，正确推断燃料电池正负极、明确化学平衡及其影响为解答关键，题目难度中等，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．