Question

利用可再生能源代替石油和煤已经成为未来发展的趋势，甲醇作为重要的可再生能源具有广泛的开发和应用前景．工业上常利用反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0来合成甲醇．
（1）经研究发现在230℃～270℃时合成最为有利．为探寻合成气最合适的起始组成比，分别在230℃、250℃和270℃时进行实验，实验结果如图1.230℃的实验结果所对应的曲线是

 

（填字母）； 从提高CO转化率的角度等综合分析，该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围是

 

（填字母）．
A．1～1.5        B．2.5～3       C．3.5～4.5
（2）制甲醇所需要的氢气，可通过下列反应制取：H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
△H＜0，某温度下该反应的平衡常数K=1．回答下列问题：
①该温度下，若起始时c（CO）=2mol?L^-1，c（H₂O）=3mol?L^-1，反应进行一段时间后，测得CO的浓度为1mol?L^-1，则此时该反应v（正）

 

v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若降低温度，该反应的K值将

 

（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（3）甲醇是一种化工原料，工业上合成甲醇的反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1．
若在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	1molCO、2molH2	1mol CH3OH	2molCO、4molH2
CH3OH的浓度（mol/L）	c1	c2	c3
反应的能量变化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ

①容器内压强P：P_甲、P_乙与P_丙的关系是

 

（用“＞”、“＜”或“=”表示）；
②变化的热量数值Q中，Q₁ 与Q₂的和是

 

（填具体数值）．
（4）目前，以甲醇为原料的燃料电池已经应用于工业生产．下图是甲醇燃料电池应用的示意图2，已知甲池的总反应式为：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O请根据图2填写下列空白：乙池中A电极的电极反应式为

 

，甲池中通入CH₃OH电极的电极反应式为

 

．

Answer 1

考点：转化率随温度、压强的变化曲线,化学电源新型电池,化学平衡常数的含义

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）由反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0可知，正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动；从提高CO转化率的角度等综合分析，该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围应是CO的转化率最大时；
（2）①根据CO的浓度计算各物质的浓度，计算出浓度幂之积与平衡常数相比较，可确定平衡移动的方向，以此可确定正逆反应速率关系；
②因正反应放热，则降低温度平衡向正反应方向移动；
（3）甲容器反应物投入1molCO、2molH₂与乙容器反应物投入1mol CH₃OH在保持恒温、恒容情况下是等效平衡，平衡时CH₃OH的浓度c₁=c₂、平衡压强相同，由于正反应转化率和逆反应转化率之和为100%，则Q₁+Q₂能量总变化相当于1molCO、2molH₂完全转化成1mol CH₃OH的能量，即吸放热Q₁+Q₂数值上就等于90.8kJ；
    丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，由于该反应是气体体积减小的反应，温度、容积相同的情况下，反应物浓度增大一倍，相当于增大压强，反应向气体体积减少方向移动，即正向移动，据此分析；
（4）该燃料电池的正极反应为：0₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，负极反应为：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，以此解答该题．

解答： 解：（1）工业上用反应④低压合成甲醇，在230℃～270℃最为有利．为研究合成气最合适的起始组成比，分别在230℃、250℃和270℃进行实验，结果如图．合成甲醇是放热反应，温度越低转化率越大，结合图象可知，230℃的实验结果所对应的曲线是 X，从提高CO转化率的角度等综合分析，该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围应是CO的转化率最大时，则合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围是2.5～3，如再增大比例，因此时转化率已经很高，而导致浪费氢气，
故答案为：X；B；
（2）①H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
      起始：3        2       0       0
      转化：1        1       1       1
 一段时间后：2        1       1       1
Qc=

1×1

2×1

=0.5＜1，则平衡向正反应方向移动，正反应速率大于逆反应速率，
故答案为：＞；
②因正反应放热，则降低温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，故答案为：增大；
（3）①甲容器反应物投入1molCO.2molH₂与乙容器反应物投入1mol CH₃OH在保持恒温、恒容情况下是等效平衡，则达到平衡时甲、乙容器压强相等，丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，浓度加倍，相当于增大压强，故答案为：P_甲=P_乙＜P_丙；
②由于正反应转化率和逆反应转化率之和为100%，则Q₁+Q₂能量总变化相当于1molCO、2molH₂完全转化成1mol CH₃OH的能量，即吸放热Q₁+Q₂数值上就等于90.8kJ；丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，由于该反应是气体体积减小的反应，温度、容积相同的情况下，反应物浓度增大一倍，相当于增大压强，反应向气体体积减少方向移动，即正向移动，因此，c₃＞2c₁，Q₃＞2Q₁；
故答案为：90.8；
（4）甲池中通入CH₃OH电极为原电池的负极，发生氧化反应，电极方程式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，乙池为电解池，A连接电源的负极，发生还原反应，电极方程式为Ag⁺+e^-=Ag，
故答案为：Ag⁺+e^-=Ag；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评：本题综合考查化学平衡、电化学等知识，题目侧重于等效平衡的计算，为该题的难点，也是易错点，注意理解等效平衡问题．