Question

18．甲醇的研究成为当代社会的热点．

Ⅰ．甲醇燃料电池（DNFC）被认为是21世纪电动汽车最佳候选动力源．
（1）101kP  时，1mol CH₃OH完全燃烧生成稳定的氧化物放出热量726.51kJ/mol，则甲醇燃烧的热化学方程式为CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1．
（2）甲醇质子交换膜燃料电池中将甲醇蒸汽转化为氢气的两种反应原理是：
①CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1
②CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H₂
已知H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═$\frac{1}{2}$H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
则反应②的△H₂=-192.8kJ•mol^-1．
（3）甲醇燃料电池的结构示意图如图1．负极发生的电极反应为CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂．
Ⅱ．一定条件下，在体积为3L的密闭容器中反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）达到化学平衡状态．
（1）根据图2，纵坐标为CH₃OH的物质的量，升高温度，K值将减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（2）500℃时，从反应开始到达到化学平衡，以H₂的浓度变化表示的化学反应速率是$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min）（用n_B、t_B表示）．
（3）判断该可逆反应达到化学平衡状态的标志是ac（填字母）．
a．CO、H₂、CH₃OH的浓度均不再变化
b．混合气体的密度不再改变
c．混合气体的平均相对分子质量不再改变
d．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）
e．混合气中n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1
（4）300℃时，将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，在其他条件不变的情况下，对平衡体系产生的影响是cd（填字母）．
a．c（H₂）减少                b．正反应速率加快，逆反应速率减慢
c．CH₃OH 的物质的量增加       d．重新平衡时$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依据燃烧热概念是1mol可燃物完全燃烧生成稳定氧化物放出的热量，根据题干所给量结合热化学方程式书写方法，标注物质聚集状态和对应焓变；
（2）由盖斯定律可知，①CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1、③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1，①+③得到反应②；
（3）甲醇燃料电池中，甲醇为负极，失电子发生氧化反应，电极反应结合电荷守恒和原子守恒写出为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂，氧气在正极发生还原反应，电极反应式为：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；
Ⅱ．（1）平衡常数是衡量反应进行程度的物理量，根据升高温度乙醇的物质的量减小，平衡逆向移动，判断平衡常数的变化；
（2）结合图象中甲醇物质的量变化计算用甲醇表示的反应速率，化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比，以此计算H₂的浓度变化表示的化学反应速率，根据化学反应速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）计算得到；
（3）达到平衡时，正逆反应速率相等，混合气体的平均相对分子质量不再改变，CO、H₂、CH₃OH的浓度不再改变；
（4）将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大，反应速率增大，平衡向正反应方向移动，以此判断．

解答 解：Ⅰ．（1）在25℃、101kPa下，1mol CH₃OH液体完全燃烧生成CO₂和液态水时放出热量726.51kJ，则表示甲醇燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1；
（2）①CH₃OH（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.0kJ•mol^-1，
②CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H₂，
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1，
依据盖斯定律计算①+③得到反应②，则△H₂=+49.0kJ•mol^-1+（-241.8kJ•mol^-1）=-192.8kJ•mol^-1，
故答案为：-192.8kJ•mol^-1；
（3）甲醇燃料电池中，甲醇中C元素的化合价升高，则甲醇为负极，失电子发生氧化反应，在酸性溶液中生成二氧化碳，电极反应结合电荷守恒和原子守恒写出为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂，故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂；
Ⅱ．（1）由图象2可知升高温度乙醇的物质的量减少，平衡向逆反应方向移动，K减小，
故答案为：减小；
（2）500℃时，从反应开始到达到化学平衡，结合图象中甲醇物质的量变化计算用甲醇表示的反应速率，化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比，以此计算H₂的浓度变化表示的化学反应速率，υ（CH₃OH）=$\frac{{n}_{B}}{{n}_{t}×3L}$mol/（L．min），故υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min），
故答案为：$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min）；
（3）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），达到平衡时，正逆反应速率相等，混合气体的平均相对分子质量不再改变，CO、H₂、CH₃OH的浓度不再改变，在体积不变时，气体的密度不变，不能作为判断是否达到平衡状态的依据，
a．CO、H₂、CH₃OH的浓度均不再变化是平衡的标志，故a正确；
b．反应前后气体质量不变，容器体积不变，反应过程中和平衡状态下混合气体的密度始终不改变，不能说明费用达到平衡状态，故b错误；
c．反应前后气体质量不变，气体物质的量变化，当混合气体的平均相对分子质量不再改变，说明反应达到平衡状态，故c正确；
d．化学反应速率之比等于化学方程式计算数之比，为正反应速率之比，v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）只能说明平衡正向进行时甲醇和一氧化碳的反应速率相同，不能说明反应达到平衡状态，当v_生成（CH₃OH）=v_生成（CO）能说明反应达到平衡状态，故d错误；
e．混合气中n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1，不能说明反应正逆反应速率相同，不能说明反应达到平衡状态，故e错误；
故答案为：ac；
（4）a．将容器的容积压缩到原来的 $\frac{1}{2}$，压强增大，正逆反应速率都增大，平衡向正反应方向移动，CH₃OH的物质的量增加，氢气的物质的量减少，但体积改变影响大于平衡移动的影响，所以氢气浓度增大，故a错误；
b．缩小体积增大压强，正逆反应速率都增大，故b错误；
c．平衡向正反应方向移动，甲醇的物质的量增多，故c正确；
d．平衡向正反应方向移动，甲醇浓度增大，氢气浓度减小，故有$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小，故d正确；
故答案为：cd．

点评 本题考查化学平衡的影响因素和化学平衡的标志，热化学方程式书写，原电池原理的理解应用等问题，题目难度中等，注意外界条件对化学平衡移动的影响以及平衡状态的判断角度．