Question

4．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  a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=-726.51kJ/mol．
（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）=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．甲醇进入负极（填“正”或“负”），正极发生的电极反应为O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O．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）该反应的平衡常数表达式K=$\frac{{c（C{H_3}OH）}}{{c（CO）•{c^2}（{H_2}）}}$；根据图2，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$\frac{{2{n_B}}}{{3t{\;}_B}}$mol•L^-1•min^-1（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cd（填字母）．
a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）         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．CO、H₂、CH₃OH的浓度均不再变化
（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，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，正极发生还原反应，电极反应式为：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；
Ⅱ．（1）根据化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，列出平衡常数的表达式；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）根据化学反应速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）计算；
（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）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，则△H₂=+49.0kJ•mol^-1+（-241.8kJ•mol^-1）=-192.8kJ•mol^-1，故答案为：-192.8；
（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，正极发生还原反应，电极反应式为：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O，负极是甲醇在酸溶液中失电子生成二氧化碳，结合电荷守恒写出电极反应为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂，
故答案为：负；O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂；
Ⅱ．（1）化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，反应物的生成物都是气体，故平衡常数表达式为K=$\frac{{c（C{H_3}OH）}}{{c（CO）•{c^2}（{H_2}）}}$，由图象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：$\frac{{c（C{H_3}OH）}}{{c（CO）•{c^2}（{H_2}）}}$；减小；
（2）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）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，故答案为：c、d；
（4）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，但浓度增大，甲醇的物质的量增多，故有c（H₂）/c（CH₃OH）减小，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．