Question

12．开发、使用清洁能源发展“低碳经济”正成为科学家研究的主要课题．氢气、甲醇是优质的清洁燃料，可制作燃料电池．
（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H₃=-44.0kJ•mol^-1
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=-442.8 kJ/mol；
（2）生产甲醇的原料CO和H₂来源于：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0
①该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$，一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图a．则T₁＜T₂（填“＜”“＞”或“=”下同），A、B、C三点处对应平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小关系为K_C=K_B＞K_A；
②120℃时，将1mol CH₄和2mol H₂O（g）通入容积为1L的密闭容器中发生反应，不能说明该反应已经达到平衡状态的是bcd；
a．容器内气体密度恒定；b．混合气体的相对分子质量恒定；c．容器内的压强恒定；d.3v_正（CH₄）=v_逆（H₂）；e．单位时间内消耗0.3mol CH₄同时生成0.9molH₂
（3）某实验小组利用CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）设计成如图b所示的电池装置，则该电池负极的电极反应式为CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O．当有4mol电子通过导线时，消耗标准状况下的O₂体积为22.4L，此时电解质溶液的PH值变小（填“变大”、“变小”或“不变”）．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
根据盖斯定律，①×$\frac{1}{2}$-②×$\frac{1}{2}$+③×2可得：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），反应热也进行相应的计算；
（2）①化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
正反应为吸热反应，压强一定时，升高温度，平衡向正反应方向移动，甲烷的转化率增大；
平衡常数只受温度影响，处于等温线上各点平衡常数相等，由图可知，压强一定时，温度T₂条件下，甲烷的转化率更大，则反应进行的程度更大；
②．可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
（3）负极发生氧化反应，CO在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水；
根据电子转移守恒计算消耗氧气物质的量，再根据V=nV_m计算氧气体积；
反应消耗NaOH，溶液碱性减弱．

解答 解：（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol
②2CO （g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol
③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol
根据盖斯定律，①×$\frac{1}{2}$-②×$\frac{1}{2}$+③×2可得：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8 kJ/mol，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8 kJ/mol；
（2）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；
由图开始，压强一定时，温度T₂的转化率较大，正反应为吸热反应，升高温度，平衡向正反应方向移动，甲烷的转化率增大，故温度T_l＜T₂；
平衡常数只受温度影响，B、C处于等温线上，平衡常数相等，由图可知，压强一定时，温度T₂条件下，甲烷的转化率更大，则反应进行的程度更大，比温度T₁时的平衡常数大，故平衡常数K_C=K_B＞K_A，
故答案为：$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；＜；K_C=K_B＞K_A；
②a．120℃时，反应混合物都是气体，混合气体总质量不变，容器的容积不变，容器内气体密度始终不变，不能说明得到平衡，故a错误；
b．随反应进行混合气体总物质的量增大，混合气体总质量不变，平均相对分子质量减小，当混合气体的相对分子质量恒定时，反应到达平衡状态，故b正确；
c．随反应进行混合气体总物质的量增大，容器容积不变，压强增大，当容器的压强恒定时，说明到达平衡，故c正确；
d．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），不同物质的正逆速率之比等于化学计量数之比，反应到达平衡，故d正确，
e．单位时间内消耗0.3mol CH₄同时生成0.9molH₂，均表示正反应速率，反应始终按此比例进行，不能说明到达平衡，故e错误，
故选：bcd；
（3）负极发生氧化反应，CO在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应式为：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O；
当有4mol电子通过导线时，消耗标准状况下的O₂体积为$\frac{4mol}{4}$×22.4L/mol=22.4L；
反应消耗NaOH，溶液碱性减弱，则溶液pH变小，
故答案为：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O；22.4；变小．

点评 本题考查化学平衡影响因素、化学平衡图象、平衡状态判断、平衡常数、热化学方程式、原电池等，题目比较综合，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力．