题目内容

1.甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景.工业上一般采用下列反应合成甲醇CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H
(1)下表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数(K).
温度250℃300℃350℃
K3.0411.0000.120
由表中数据判断△H<0(填“>”、“=”或“<”),化学平衡常数表达式K=$\frac{c(C{H}_{3}OH)}{c(CO){c}^{2}({H}_{2})}$;
(2)300℃时,在体积为2.0L的密闭容器中通入2mol CO和4mol H2,经过20s 达到平衡状态,
①计算20s内CO的反应速率为0.025mol/(L•s),此时容器中甲醇的体积分数为25%;
②若向上述平衡体系中同时加入1mol CO,2mol H2和1mol CH3OH气体,平衡移动情况是向右
(填“向右”、“向左”或“不移动”),原因是若向上述平衡体系中同时加入1molCO,2molH2和1molCH3OH气体,此时浓度c(CO)=0.5mol/L+$\frac{1}{2}$mol/L=1mol/L,n(H2)=2(1-0.5)mol/L+$\frac{2mol}{2L}$=2mol/L,c(CH3OH)=0.5mol/L+$\frac{1mol}{2L}$=1mol/L,此时浓度上海Qc=$\frac{1}{1×{2}^{2}}$=0.25<K=1,平衡向右移动;
(3)已知在常温常压下:
①2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g)△H1=-1277.0kJ/mol
②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H2=-566.0kJ/mol
③H2O(g)=H2O(l)△H3=-44kJ/mol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=-443.5KJ/mol;
(4)甲醇,氧气可制作燃料电池,写出以氢氧化钾为电解质甲醇燃料电池负极反应式CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O;如图,电解KI溶液制碘,在粗试管中加入饱和的KI溶液,然后再加入苯,插入一根石墨电极和一根铁电极,使用该燃料电池做电源,铁电极与负极(填正或负)相连接,通电一段时间后,断开电源,振荡试管,上层溶液为紫红色,当有1.27g 碘单质生成时,需要0.053g CH3OH.

分析 (1)图表中平衡常数随温度变化分析判断,升温平衡向吸热反应方向进行.平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$;
(2)300℃时,在体积为2.0L的密闭容器中通入2mol CO和4mol H2,经过20s 达到平衡状态,结合化学平衡三行计算列式计算,反应速率v=$\frac{△c}{△t}$,根据平衡气体物质的量和甲醇物质的量计算体积分数;
①300℃时,在体积为2.0L的密闭容器中通入2mol CO和4mol H2,经过20s 达到平衡状态,结合化学平衡三行计算列式计算,300℃时平衡常数=1,设CO消耗浓度x,
                            CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
起始量(mol/L)   1              2                   0
变化量(mol/L)   x             2x                  x
平衡量(mol/L)1-x           2-2x                  x
据此计算CO的反应速率,容器中甲醇的体积分数;
②计算此时浓度商和平衡常数比较放心判断反应进行的方向;
(3)依据热化学方程式和盖斯定律计算得到缩小热化学方程式;
(4)甲醇燃料电池中,负极上甲醇失去电子发生氧化反应,正极上氧气得电子发生还原反应,电解KI溶液制碘,在粗试管中加入饱和的KI溶液,然后再加入苯,插入一根石墨电极和一根铁电极,使用该燃料电池做电源,铁电极与电源负极相连,通电一段时间后,断开电源,振荡试管,碘单质溶于苯,上层溶液为紫红色,当有1.27g 碘单质生成时,需要甲醇质量可以依据电极反应中的电子守恒计算得到.

解答 解:(1)随温度升高平衡常数减小,升温平衡逆向进行,正反应为放热反应,△H<0,CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g),K=$\frac{c(C{H}_{3}OH)}{c(CO){c}^{2}({H}_{2})}$,
故答案为:<;$\frac{c(C{H}_{3}OH)}{c(CO){c}^{2}({H}_{2})}$;
(2)①300℃时,在体积为2.0L的密闭容器中通入2mol CO和4mol H2,经过20s 达到平衡状态,结合化学平衡三行计算列式计算,300℃时平衡常数=1,设CO消耗浓度x,
                            CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
起始量(mol/L)   1              2                   0
变化量(mol/L)   x             2x                  x
平衡量(mol/L)1-x           2-2x                  x
$\frac{x}{(1-x)(2-2x)^{2}}$=1
x=0.5mol/L,
20s内CO的反应速率=$\frac{0.5mol/L}{20s}$=0.025mol/(L•s),
此时容器中甲醇的体积分数=$\frac{0.5}{3-2×0.5}$×100%=25%,
②若向上述平衡体系中同时加入1mol CO,2mol H2和1mol CH3OH气体,此时浓度c(CO)=0.5mol/L+$\frac{1}{2}$mol/L=1mol/L,n(H2)=2(1-0.5)mol/L+$\frac{2mol}{2L}$=2mol/L,c(CH3OH)=0.5mol/L+$\frac{1mol}{2L}$=1mol/L,
计算此时浓度上海Qc=$\frac{1}{1×{2}^{2}}$=0.25<K=1,反应正向进行,平衡移动情况是向右,
故答案为:0.025mol/(L•s);25%;向右;若向上述平衡体系中同时加入1mol CO,2mol H2和1mol CH3OH气体,此时浓度c(CO)=0.5mol/L+$\frac{1}{2}$mol/L=1mol/L,n(H2)=2(1-0.5)mol/L+$\frac{2mol}{2L}$=2mol/L,c(CH3OH)=0.5mol/L+$\frac{1mol}{2L}$=1mol/L,计算此时浓度上海Qc=$\frac{1}{1×{2}^{2}}$=0.25<K=1,平衡向右移动;
(3)①2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g)△H1=-1277.0kJ/mol
②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H2=-566.0kJ/mol
③H2O(g)=H2O(l)△H3=-44kJ/mol,
盖斯定律计算得到:(  )①-②+4×③)×$\frac{1}{2}$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=-443.5KJ/mol,
故答案为:CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l)△H=-443.5KJ/mol;
(4)甲醇燃料碱性电池中,甲醇在负极上发生氧化反应,甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水,电极反应式为CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O,电解KI溶液制碘,在粗试管中加入饱和的KI溶液,然后再加入苯,插入一根石墨电极和一根铁电极,使用该燃料电池做电源,铁电极与电源负极相连,通电一段时间后,断开电源,振荡试管,碘单质溶于苯,上层溶液为紫红色,当有1.27g 碘单质生成时,n(I2)=$\frac{1.27g}{254g/mol}$=0.005mol,电子守恒:2I--2e-=I2,CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O,CH3OH~6e-~3I2,
甲醇物质的量=$\frac{0.005}{3}$mol,质量=$\frac{0.005}{3}$mol×32g/mol=0.053g,
故答案为:CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O;负;紫红;0.053g.

点评 本题考查了化学反应速率、化学平衡的影响因素、反应速率计算、平衡常数计算、热化学方程式书写、原电池电极反应等知识点,掌握基础是解题关键,题目难度中等.

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