Question

14．甲醇燃料电池被认为是21世纪电动汽车候选动力源
（1）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．
（2）工业上一般可采用如图1所示反应来合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），现实验室模拟该反应并进行分析，图1是该反应在不同温度下CO的转化率随时间变化的曲线

①该反应的焓变△H＜0（填“＞”“＜”或“=”）．
②T₁和T₂温度下的平衡常数大小关系是K₁＞K₂（填“＞”“＜”或“=”）
③现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO和3molH₂，测得CO 和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．从反应开始到平衡，CO的平均反应速率v（CO）=0.225mol/（L•min），该反应的平衡常数为K=$\frac{16}{3}$
④恒容条件下，达到平衡后，下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（CO）}$增大的有C
A．升高温度                             B．充入He（g）
C．再充入1molCO 和3molH₂       D．使用催化剂．

Answer 1

分析 （1）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；
（2）根据先拐先平原则，由图1可知，温度T₁＜T₂，平衡时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热反应移动，据此判断反应热，K₁与K₂关系；
由图2可知，甲醇的浓度变化量为0.75mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；根据图象计算出反应消耗二氧化碳的浓度，然后计算出二氧化碳的转化率；分别计算出平衡时各组分的浓度，然后利用平衡常数表达式计算出该温度下的平衡常数；
要使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，应使平衡向正反应方向移动．

解答 解：（1）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：-192.8kJ•mol^-1；
（2）①根据先拐先平原则，由图1可知，温度T₁＜T₂，平衡时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热反应移动，故该反应正反应为放热反应，
故答案为：＜；
②平衡时，温度越高CO的转化率越小，说明升高温度，平衡向逆反应移动，升高温度平衡向吸热反应移动，故该反应正反应为放热反应；升高温度，平衡向逆反应移动，所以K₁＞K₂，
故答案为：＞；
③由图2可知，10min达平衡时甲醇的浓度变化量为0.75mol/L，所以v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），速率之比等于化学计量数之比，所以v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min）；
平衡时c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，c（CO₂）=0.25mol/L，反应消耗二氧化碳浓度为0.75mol/L，则反应消耗氢气浓度为0.75mol/L×3=2.25mol/L，则达到平衡时氢气浓度为：c（H₂）=3mol/L-2.25mol/L=0.75mol/L，所以该温度下该反应的平衡常数K=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=$\frac{16}{3}$，
故答案为：0.225mol/（L•min）；$\frac{16}{3}$．
④要使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，应使平衡向正反应方向移动
A．因正反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，但对反应物质来说，浓度没有变化，平衡不移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）不变，故B错误；
C．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效于在原来基础上缩小体积一半，压强增大，平衡向正反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正确；
D．使用催化剂，平衡不移动，故n（CO）和n（CH₃OH）均不变，故D错误；
故答案为：C．

点评 本题为综合题，涉及热化学反应方程式的书写、化学反应速率和平衡移动的影响因素等知识点，注重高考常考考点的考查，题目难度中等．