Question

甲醇合成反应及其能量变化如图所示：
（1）写出合成甲醇的热化学方程式

 

．实验室在1L的密闭容器中进行模拟合成实验．将1mol CO和2mol H₂通入容器中，分别恒温在300℃和500℃反应，每隔一段时间测得容器内CH₃OH的浓度如下表所示：

时间浓度（mol/L）温度	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

（2）在300℃反应开始10min内，CO的平均反应速率为v（CO）=

 

．
（3）在500℃达到平衡时，平衡常数K=

 

．
（4）在另一体积不变的密闭容器中，充入1.6mol CO和2.0mol H₂，一定条件下达到平衡，测得容器中压强为起始压强的一半．计算该条件下H₂的转化率为

 

．
（5）美国科学家成功开发便携式固体氧化物燃料电池，该燃料电池中一极通入空气，另一极通入甲醇气体，电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O^2-．在电路中每流过30mol电子，有

 

mol甲醇被完全氧化；在燃料电池中通甲醇的电极发生的电极反应为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的计算

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）依据图象分析，反应物的能量高于生成物，反应是放热，反应的焓变=反应物断裂化学键吸收的能量-生成物形成化学键放出的热量计算得到，依据热化学方程式的书写方法写出；
（2）依据化学反应速率的概念计算，化学反应速率等于单位时间内物质浓度的变化计算得到，计算甲醇的反应速率，依据速率之比等于化学方程式系数之比；
（3）依据图表数据依据平衡三段式列式计算平衡浓度，结合平衡常数概念计算得到；
（4）依据化学平衡三段式列式计算；
（5）该燃料电池中，燃料失电子发生氧化反应，所以通入燃料的电极为负极，通入氧化剂的电极为正极，根据总反应，即分析得答案．

解答： 解：（1）图象分析，反应物的能量高于生成物，反应是放热，反应的焓变=反应物断裂化学键吸收的能量-生成物形成化学键放出的热量计算得到，反应的焓变△H=（a-b）KJ/mol，a＜b，所以△H=-（b-a）KJ/mol，反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
故答案为：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-（b-a）KJ/mol；
（2）在300℃反应开始10min内，甲醇的反应速率=

0.4mol/L

10min

=0.04mol/L?min，CO的平均反应速率为v（CO）=V（CH₃OH）=0.04mol/L?min；
故答案为：0.04mol/L?min；
（3）依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度，500°C反应进行到40min反应达到平衡；
                   CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L）     1       2         0
变化量（mol/L）    0.8     1.6       0.8
平衡量（mol/L）    0.2      0.4      0.8
平衡常数K=

C(CH3OH)

C(CO)?C2(H2)

=

0.8mol/L

0.2mol/L?(0.4mol/L)2

=25（L/mol）²；
故答案为：25；
（4）在另一体积不变的密闭容器中，充入1.6mol CO和2.0mol H₂，一定条件下达到平衡，测得容器中压强为起始压强的一半，依据化学三段式计算，设反应的氢气物质的量为x，则得到：
               CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 1.6       2.0       0
变化量（mol/L） 0.5x       x        0.5x
平衡量（mol/L）1.6-0.5x  2.0-x      0.5x
压强之比等于物质的量之比，

(1.6-0.5x)+(2.0-x)+0.5x

1.6+2

=

1

2

；
解得：x=1.8mol；
该条件下H₂的转化率为=

1.8

2.0

×100%=90%；
故答案为：90%；
（5）甲醇燃料电池是根据甲醇的燃烧反应来设计的，故反应式2CH₃OH+3O₂→2CO₂+4H₂O，由于电解质是固态氧化物，在熔融状态下能传导O^2-，故放电时，氧气在正极被还原，电极反应式为：O₂-4e^-═2O^2-，CH₃OH在正极发生还原反应，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O．
通过正极反应可以看出，CH₃OH～6e^-，故当电路中每流过30mol电子，有 5mol甲醇被完全氧化．
故答案为：5；  CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O．

点评：考查热化学方程式、化学平衡的计算和燃料电池电极反应的书写等，是对所学知识的直接运用，难度中等，旨在考查学生对基础知识的掌握．