题目内容

10.甲醇(CH3OH)作为新型汽车动力燃料,如图1是甲醇在工业上的制备和生活中的应用.
请填空:
(1)在压强为0.1MPa条件下,反应室2(容积为VL)中a mol CO与2a mol H2在催化剂作用下反应生成甲醇:CO (g)+2H2(g)?CH3OH (g),CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图2所示,则:
①一定条件下的密闭容器中,该反应到达平衡,要提高CO的转化率可以采取的措施是DE(填字母代号)
A.高温高压  B.加入催化剂  C.增加CO的浓度   D.增大氢气的浓度 E分离出甲醇
②在压强P1、100℃时,CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g)反应的平衡常数为K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$(用含a、V的代数式表示)
③将一定量的NO2与SO2置于绝热恒容密闭容器中发生NO2(g)+SO2(g)?SO3(g)+NO(g)上述反应,正反应速率随时间变化的趋势如图3所示.由图可知下列说法正确的是C(填字母).
A.反应在c点达到平衡状态
B.反应物浓度:a点小于b点
C.反应物的总能量高于生成物的总能量
D.△t1=△t2时,SO2的消耗量:a~b段大于b~c段
(2)据报道,科学家在实验室已研制出在燃料电池的反应容器中,利用特殊电极材料以H2和O2为原料制取过氧化氢的新工艺.原理如图4所示:请写出甲电极的电极反应式:2H++O2+2e-=H2O2.
(3)若常温下一定量的甲醇完全燃烧生成液态水释放出了1451.52kJ的能量,则等质量的甲醇燃料电池利理论上可提供12mol电子的电量.(已知甲醇的燃烧热为725.76kJ/mol)
(4)已知在常温常压下:
①2CH3OH (l)+3O2(g)═2CO2(g)+4H2O (g)△H1=-1 275.6kJ•mol-1
②2CO (g)+O2(g)═2CO2(g)△H2=-566.0kJ•mol-1
③H2O (g)=H2O (l)△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.

分析 (1)①根据图2可知,升高温度后CO的转化率减小,说明该反应为放热反应;提高反应CO (g)+2H2(g)?CH3OH (g)中一氧化碳的转化率,则应该使平衡向着正向移动,根据影响化学平衡的因素进行判断;
②根据化学平衡三段式及平衡常数表达式进行计算;
③该反应反应前后气体的物质的量不变,容器体积不变,故体系压强恒定;绝热恒容密闭容器,体系温度随反应进行变化,随反应进行反应物的浓度降低,由图可知,c点以前正反应速率增大,说明正反应为放热反应,c点以后反应正反应速率降低,应是浓度影响比温度影响更大;图为正反应速率随时间变化,说明反应未到达平衡;
(2)燃料电池的负极上是燃料发生失电子的氧化反应,确定正负极,然后确定甲电极作氧化剂,发生还原反应书写电极反应式;
(3)根据甲醇的燃烧热计算出消耗甲醇的物质的量,再根据化合价变化计算出转移电子的物质的量;
(4)根据热化学方程式利用盖斯定律计算反应热并书写热化学方程式.

解答 解:(1)①A.根据图2可知,升高温度后CO的转化率减小,所以不能高温不利于提高CO的转化率,故A错误;  
B.加入催化剂,可以影响反应速率,但不影响化学平衡,则CO的转化率不变,故B错误;
C.增加CO的浓度,CO的转化率会减小,故C错误;   
D.增大氢气的浓度,平衡向着正向移动,则CO的转化率增大,故D正确; 
E.分离出甲醇,生成物浓度减小,平衡向着正向移动,CO的转化率增大,故E正确;
故答案为:D E;
②在压强为0.1MPa条件下,容积为V L的密闭容器中a mol CO与2a mol H2在催化剂作用下反应生成甲醇.即
            CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)
初始浓度:$\frac{a}{V}$       $\frac{2a}{V}$         0 
变化浓度:$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$        $\frac{a}{2V}$
平衡浓度:$\frac{a}{2V}$       $\frac{a}{V}$        $\frac{a}{2V}$     
则该温度下该反应的平衡常数为:K=$\frac{\frac{a}{2V}}{(\frac{a}{2V})×({\frac{a}{V})}^{2}}$=$\frac{{V}^{2}}{{a}^{2}}$,
在P1下,100℃时,CH3OH(g)═CO(g)+2H2(g)反应的平衡常数和反应CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)的K互为倒数,所以该反应的平衡常数K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$,
故答案为:K=$\frac{{a}^{2}}{{V}^{2}}$;
③A.化学平衡状态的标志是各物质的浓度不再改变,其实质是正反应速率等于逆反应速率,c点对应的正反应速率显然还在改变,故一定未达平衡,故A错误;
B.a到b时正反应速率增加,反应物浓度随时间不断减小,故B错误;
C.从a到c正反应速率增大,之后正反应速率减小,说明反应刚开始时温度升高对正反应速率的影响大于浓度减小对正反应速率的影响,说明该反应为放热反应,即反应物的总能量高于生成物的总能量,故C正确;
D.随着反应的进行,正反应速率越快,消耗的二氧化硫就越多,SO2的转化率将逐渐增大,SO2的消耗量:a~b段小于b~c段,故D错误;
故答案为:C;
(2)由图可知,燃料电池的负极上是燃料发生失电子的氧化反应,燃料电池中H2作还原剂,在负极发生反应,氧气为氧化剂在正极上发生电极反应为2H++O2+2e-=H2O2,
故答案为:2H++O2+2e-=H2O2;
(3)已知甲醇的燃烧热为725.76kJ/mol,若常温下一定量的甲醇完全燃烧生成液态水释放出了1451.52kJ的能量,则消耗甲醇的物质的量为:$\frac{1451.52kJ}{725.76kJ/mol}$=2mol,甲醇中C元素的化合价为-2价,反应后生成+4价的二氧化碳,则则等质量的甲醇燃料电池利理论上可提供电子的物质的量为:2mol×[4-(-2)]=12mol,
故答案为:12;
(4)①2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g)△H=-1275.6kJ/mol
②2CO (g)+O2(g)=2CO2(g)△H=-566.0kJ/mol
③H2O(g)=H2O(l)△H=-44.0kJ/mol
依据盖斯定律①-②+③×4得到甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式:2CH3OH(l)+2O2(g)=2CO (g)+4H2O(l)△H=-885.6KJ/mol;
得到热化学方程式为:CH3OH(l)+O2(g)=CO (g)+2H2O(l)△H=-442.8KJ/mol;
故答案为:CH3OH(l)+O2(g)=CO (g)+2H2O(l)△H=-442.8KJ/mol.

点评 本题考查了较为综合,涉及原电池原理、盖斯定律在热化学方程式中的应用、化学平衡及其影响、化学平衡常数的计算等知识,注意对基础知识的把握,试题知识点较多、综合性较强,充分考查学生的分析、理解能力及化学计算能力.

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