题目内容

19.甲醇是一种重要的可再生能源.
(1)已知2CH4(g)+O2(g)═2CO(g)+4H2(g)△H=a kJ•mol-1
CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)△H=b kJ•mol-1
试写出由CH4和O2制取甲醇的热化学方程式2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(g)△H=(a+2b)kJ/mol.
(2)还可通过下列反应制甲醇:CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g).甲图是反应时CO和CH3OH(g)的浓度随时间的变化情况.从反应开始到达平衡,用H2表示反应速率υ(H2)=0.15mol/(L•min).

(3)在一容积可变的密闭容器中充入10mol CO和20mol H2,CO的平衡转化率随温度(T)、压强(P)的变化如乙图所示.
①下列说法能判断该反应达到化学平衡状态的是BD(填字母).
A.H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍
B.H2的体积分数不再改变
C.体系中H2的转化率和CO的转化率相等
D.体系中气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小PA<PB(填“>、<、=”).
③若达到化学平衡状态A时,容器的体积为20L.如果反应开始时仍充入10molCO和20molH2,则在平衡状态B时容器的体积V(B)=4L.
(4)以甲醇为燃料,氧气为氧化剂,KOH溶液为电解质溶液,可制成燃料电池(电极材料为惰性电极).
①若KOH溶液足量,则写出电池负极反应式2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O.
②若电解质溶液中KOH的物质的量为0.8mol,当有0.5mol甲醇参与反应时,电解质溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是C(K+)>C(CO32-)>C(HCO3-)>C(OH-)>C(H+).

分析 (1)利用盖斯定律,1式加2式的二倍即可得到该方程式及焓变;
(2)根据反应速率v=$\frac{△c}{△t}$,结合物质表示的反应速率之比等于物质前边的系数之比来计算;
(3)①平衡标志是正逆反应速率相同,各成分浓度保持不变分析判断选项;
②正反应方向为气体体积减小的方向,T1℃时比较CO的转化率,转化率越大,则压强越大;
③A、B反应温度相等,则平衡常数相等,利用平衡常数计算;
(4)①燃料电池总反应是燃料燃烧的化学方程式,在碱性环境下,二氧化碳转化为碳酸根离子,据此书写;
②当有0.5mol甲醇参与反应时,产生的二氧化碳是0.5mol,和0.8mol氢氧化钾反应,根据元素守恒可以计算n (K2CO3)=0.3mol,n (KHCO3)=0.2mol,据此确定离子浓度的大小顺序.

解答 解:(1)已知①2CH4(g)+O2(g)=2CO(g)+4H2(g)△H=a KJ/mol
②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)△H=b KJ/mol,①+②×2可得到2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(g)△H=(a+2b)kJ/mol,
故答案为:2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(g)△H=(a+2b)kJ/mol;
(2)用甲醇表示的反应速率v=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/(L•min),氢气表示的反应速率是甲醇的2倍,即0.15mol/(L•min),
故答案为:0.15mol/(L•min);
(3)①A.H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍,不能说明正逆反应速率相等,不一定平衡,故A错误;
B.H2的体积分数不再改变是化学平衡的特征,达到了平衡,故B正确;
C.体系中H2的转化率和CO的转化率相等,不能说明正逆反应速率相等,不一定平衡,故C错误;
D.体系中气体的平均摩尔质量等于质量和物质的量的比值,物质的量变化,质量不变,所以当体系中气体的平均摩尔质量不再改变,证明达到了平衡,故D正确.
故选BD;
②正反应方向为气体体积减小的方向,T1℃时比较CO的转化率,转化率越大,则压强越大,图象中PB转化率大于PA,可知PA<PB,故答案为:<;
③A、B两容器温度相同,即化学平衡常数相等,且B点时CO的转化率为0.8,
          则 CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
起始(mol):10     20        0
转化(mol):8      16        8
 平衡(mol):2      4        8
设体积为VL,则有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×(\frac{4}{V})^{2}}$=4,V=4L,
故答案为:4;
(4)①燃料电池总反应是燃料燃烧的化学方程式,在碱性环境下,二氧化碳转化为碳酸根离子,即2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O,
故答案为:2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O;
②当有0.5mol甲醇参与反应时,产生的二氧化碳是0.5mol,和0.8mol氢氧化钾反应,根据元素守恒可以计算n (K2CO3)=0.3mol,n (KHCO3)=0.2mol,二者的水溶液均为碱性,所以C(K+)>C(CO32-)>C(HCO3-)>C(OH-)>C(H+),
故答案为:C(K+)>C(CO32-)>C(HCO3-)>C(OH-)>C(H+).

点评 本题主要考查了热化学方程式的书写、电解质溶液中离子浓度大小比较、原电池原理分析、化学平衡状态的判断以及平衡的计算的知识,属于综合知识的考查,题目难度中等.

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④如图1是金刚石的晶胞图和投影图,图2是立方氮化硼晶胞的投影图,请在图2中圆球上涂“●”和画“×”分别标明B与N的相对位置.

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