Question

20．能源短缺是人类社会面临的重大问题．甲醇是一种可再生能源，具有广泛的开发和应用前景．
（1）工业上合成甲醇的反应原理为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H，如表所列数据是该反应在不同温度下的化学平衡常数（K）．

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①根据表中数据可判断△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”），此反应较低（填“较高”或“较低”）温度下有利于该反应自发进行．
②在300℃时，将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为1L的密闭容器中，此时反应将A．
A．向正方向移动    B．向逆方向移动    C．处于平衡状态    D．无法判断
③为了寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计的表中：
请完成此实验条件A：150℃，D：5．

实验编号	T（℃）	$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$	P（MPa）
1	150	$\frac{1}{3}$	0.1
2	A	B	D
3	350	C	5

（2）甲醇-空气燃料电池（DMFC）是一种高效能、轻污染的车载电池，其工作原理如图：
①b电极为正 极，a电极的电极反应式为：H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺．
②当电池消耗22.4LO₂（标况下）时，消耗的甲醇的质量为$\frac{64}{3}$g．

Answer 1

分析 （1）①依据平衡常数随温度变化分析，温度越高平衡常数越小，说明平衡逆向进行；
②依据浓度商和平衡常数比较分析判断反应进行的方向；
③该同学通过“控制变量法”探究外界条件对化学平衡的影响，探究的前提只能是改变一个条件，而其它条件不变，据此解答；
（2）①原电池中负极上燃料失电子，酸性条件下，CH₃OH反应生成二氧化碳；
②根据总反应进行计算．

解答 解：（1）①由表中数据可知，温度越高，平衡常数越小，说明升高温度平衡向逆反应移动，故正反应为放热反应，即△H＜0，根据反应自发进行的判据：△H-T△S＜0．得到此反应较低温度下有利于该反应自发进行；
故答案为：＜；较低；
②将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为1L的密闭容器中，此时的浓度商Qc=$\frac{2}{2×{3}^{2}}$=$\frac{1}{9}$，小于0.27，故反应向正反应进行，故选：A；
③通过“控制变量法”探究外界条件对化学平衡的影响，探究的前提只能是改变一个条件，而其它条件不变，由此可得：Ⅱ中温度A为150℃，n （CO）/n（H₂）B为$\frac{1}{3}$，D为5，Ⅲ中n （CO）/n（H₂）C为$\frac{1}{3}$；
故答案为：150℃；5；
（2）①原电池放电时，甲醇失电子被氧化，a应为电池负极反应，b是负极，正极是氧气得电子的还原反应O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，负极上是燃料甲醇失电子的氧化反应，即H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案为：正；H₂O+CH₃OH-6e^-=CO₂+6H⁺；
②燃料电池的总反应：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，当电池消耗22.4L级1molO₂（标况下）时，消耗甲醇质量是$\frac{2}{3}$mol×32g/mol=$\frac{64}{3}$g，故答案为：$\frac{64}{3}$g．

点评 本题综合性较大，涉及化学平衡常数、反应的热效应、原电池与电解池工作原理及计算等，难度中等，注意原电池书写．