Question

煤经过化学加工可转化为气体或液体燃料以及各种化工产品，从而提高了煤的利用率．

（1）将水蒸气通过红热的碳即可产生水煤气．反应为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.5kJ?mol^-1
①在一体积为2L的密闭容器中，加入1mol C和2mol H₂O（g），达平衡H₂O（g）的转化率为20%，请计算此时的平衡常数

0.27

；
②若容器体积不变，反应在t₀时达到平衡，平衡常数为K₁；在t₁时升高温度，t₂重新达到平衡，平衡常数为K₂；t₃时充入水蒸气，t₄时重新达到平衡；平衡常数为K₃；请在下面的反应速率与时间关系图1中用直线画出t₁到t₄正反应速率的变化情况，并比较K₁、K₂、K₃的数值 （用“＞”、“＜”或“=”）

K₁＜K₂=K₃

；
③又知C（s）+CO₂（g）?2CO（g）△H=+172.5kJ?mol^-1，则CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）的焓变△H为

-41kJ?mol^-1

；
（2）CO与H₂在一定条件下可反应生成甲醇，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．甲醇是一种燃料，可用于设计燃料电池．图2是甲醇燃料电池的原理示意图，电解质溶液为稀硫酸．
①a处通入的是

甲醇

（填物质名称），左侧电极上发生的电极反应式为

CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺

；
②该电池工作过程中，H⁺的移动方向为从

左

到

由

（填“左“或“右“）．

Answer 1

分析：（1）①根据转化计算参加反应的水的物质的量，计算水的浓度变化量，利用三段式计算平衡时各组分的浓度，代入平衡常数表达式计算；
②该反应正反应是吸热反应，t₁时升高温度，正反应速率增大更多，随后降低，平衡向正反应方向移动，平衡时速率增大，平衡常数增大，t₂重新达到平衡，
t₃时充入水蒸气，正反应速率增大，平衡向正反应方向移动，平衡时速率增大，温度与t₂时相同，平衡常数不变，据此解答；
③根据盖斯定律构造目标热化学方程式，据此计算反应热；
（2）①电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，原电池中电子从负极经外电路流向正极，由图可知，左侧电极流出电子，为负极，发生氧化反应，所以，a处通入甲醇，甲醇生成二氧化碳，由离子交换膜可知还生成氢离子；
②甲醇在催化剂作用下提供质子和电子，电子经外电路、质子经内电路通过质子交换膜到达另一极与氧气反应．

解答：解：（1）①达平衡H₂O（g）的转化率为20%，参加反应的水的物质的量=2mol×20%=0.4mol，水的浓度变化量为

0.4mol

2L

=0.2mol/L，则：
             C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）
开始（mol/L）：1        0      0
变化（mol/L）：0.4      0.4    0.4
开始（mol/L）：0.6      0.4    0.4
故平衡常数k=

0.4×0.4

0.6

=0.27，
故答案为：0.27；
②该反应正反应是吸热反应，t₁时升高温度，正反应速率增大更多，随后降低，平衡向正反应方向移动，平衡时速率增大，平衡常数增大，t₂重新达到平衡，
t₃时充入水蒸气，正反应速率增大，平衡向正反应方向移动，平衡时速率增大，温度与t₂时相同，平衡常数不变，t₁到t₄正反应速率的变化情况为：，故平衡常数K₁＜K₂=K₃，
故答案为：；K₁＜K₂=K₃；
③已知：①C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；△H=131.5kJ?mol^-1
       ②C（s）+CO₂（g）?2CO（g）；△H=172.5kJ?mol^-1
所以①-②得，CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ?mol^-1；
故答案为：-41kJ?mol^-1；
（2）①电池总反应为：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，原电池中电子从负极经外电路流向正极，由图可知，左侧电极流出电子，为负极，发生氧化反应，所以，a处通入甲醇，甲醇放电生成二氧化碳，由离子交换膜可知还生成氢离子，a电极的电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案为：甲醇；CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
②甲醇在催化剂作用下提供质子和电子，电子经外电路、质子经内电路通过质子交换膜到达另一极与氧气反应．所以H⁺的移动方向为从左到右，
故答案为：左；右．

点评：本题考查影响平衡的因素、化学平衡常数、化学平衡图象、反应热的计算、原电池等，难度中等，（2）中注意根据离子交换膜判断有氢离子生成是关键，可以利用总反应式减去正极反应式进行书写．