Question

甲醇应用于精细化工，塑料等领域，是基础的有机化工原料和优质燃料．工业上利用H₂、CO和CO₂等气体体系在催化剂条件下合成甲醇．
主要反应：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ?mol^-1
副反应：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-206kJ?mol^-1
（1）写出反应①平衡常数的表达式

 

．
（2）工业上可利用CH₃OH（g）制备CH₃OCH₃（g），写出热化学方程式

 

．
（3）生产中H₂和CO按物质的量比为10：1投料，假设在反应容器中投入1mol CO和10mol H₂在某温度下反应（只考虑反应①），达到反应限度后，测得甲醇的物质的量分数为5%，计算CO转化率，写出计算过程．

 

（4）为寻找原料气中合适的CO₂浓度，进行不同的实验，每次实验的压强及H₂和CO投料比（物质的量比为10：1）相同，实验情况如图，CO₂浓度对CO转化率影响规律是：

 

，其原因是

 

．

（5）工业中常用甲醇为燃料制成燃料电池，请写出在氢氧化钾介质中该电池的负极反应式

 

．

Answer 1

考点：化学平衡常数的含义,热化学方程式,化学电源新型电池,产物的百分含量随浓度、时间的变化曲线

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据反应的方程式和平衡常数的含义分析书写；
（2）根据盖斯定律由已知的热化学方程式乘以相应的数值进行加减，来构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的数值进行加减；
（3）已知达到反应限度后，测得甲醇的物质的量分数为5%，令转化的CO的物质的量xmol，根据三段式法表示出平衡时各组分的物质的量，再求出x，然后利用转化率定义计算；
（4）根据图象中不同二氧化碳条件下CO的转化率变化趋势分析；CO₂与氢气的反应是放热反应，反应后容器中温度升高，而H₂和CO的反应也是放热反应，温度升高该反应逆移；
（5）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．

解答： 解：（1）已知CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1，则其反应的平衡常数表达是K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

，
故答案为：K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

；
（2）已知反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1
2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-206kJ?mol^-1
根据盖斯定律：第一个方程反写且计量数乘以2与第二个方程相加即得到目标方程式，所以CH₃OH（g）制备CH₃OCH₃（g）的热化学方程式为2CH₃OH （g）?CH₃OCH₃ （g）+H₂O（g）△H=-24 kJ?mol^-1，
故答案为：2CH₃OH （g）?CH₃OCH₃ （g）+H₂O（g）△H=-24 kJ?mol^-1；
（3）设转化的CO的物质的量xmol，
                  CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
初始物质的量（mol） 1        10         0
转化物质的量（mol） x        2x         x
平衡物质的量（mol） 1-x      10-2x      x
已知达到反应限度后，测得甲醇的物质的量分数为5%，则

x

11-2x

×100%=5%  解得：x=0.5mol，
所以CO的转化率=

0.5mol

1mol

×100%=50%，
故答案为：50%；
（4）由图象可知当二氧化碳浓度越大时，CO的转化率越小；因为CO₂与氢气的反应是放热反应，反应后容器中温度升高，而H₂和CO的反应也是放热反应，温度升高该反应逆移，则CO的转化率减小，
故答案为：CO₂浓度越高CO转化率越低；CO₂与氢气的反应是放热反应，CO₂浓度越高放出热量越多，反应体系温度也越高，促使平衡向逆方向移动，CO转化率越低；
（5）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^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评：本题考查的知识点较多，题目综合性较强，难度较大，主要考查了平衡常数表达式的书写、盖斯定律的应用、化学平衡的有关计算、燃料电池等，在书写电池的电极方程式时要注意电解质对反应产物的影响．