Question

甲醇是一种可再生能源，具有开发和应用的广阔前景，工业上一般可采用如下反应来合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．

（1）分析该反应并回答下列问题：
①平衡常数表达式为K=

 

．
②下列各项中，不能够说明该反应已达到平衡的是

 

（填序号）．
a．恒温、恒容条件下，容器内的压强不发生变化
b．一定条件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等
c．一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变
d．一定条件下，单位时间内消耗2mol CO，同时生成1mol CH₃OH
（2）如图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若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是

 

．
a．升高温度   b．将CH₃OH（g）从体系中分离
c．使用合适的催化剂   d．充入He，使体系总压强增大
（3）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ?mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ?mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-c kJ?mol^-1
则，CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=

 

kJ?mol^-1．
（4）2009年10月，中国科学院长春应用化学研究所在甲醇燃料电池技术方面获得新突破，组装出了自呼吸电池及主动式电堆．甲醇燃料电池的工作原理如图2所示．
①该电池工作时，b口通入的物质为

 

，c口通入的物质为

 

．
②该电池正极的电极反应式为：

 

．
③工作一段时间后，当6.4g甲醇完全反应生成CO₂时，有

 

N_A个电子转移．
（5）以上述电池做电源，用图3所示装置，在实验室中模拟铝制品表面“钝化”处理的过程中，发现溶液逐渐变浑浊，原因是（用相关的电极反应式和离子方程式表示）：

 

，

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素,化学平衡状态的判断

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）①平衡常数指平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值；
②化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再改变，由此衍生的一些物理量不变，以此进行判断；
（2）①根据温度对化学平衡的影响来回答；
②温度对化学平衡常数的影响和反应的吸放热有关；
③化学平衡正向移动可增加甲醇产率；
（3）根据盖斯定律来计算反应的焓变；
（4）在甲醇燃料电池中，燃料甲醇作负极，发生失电子的氧化反应，氧气作正极，发生得电子的还原反应，根据电极反应以及电子守恒来计算转移电子的量；
（5）根据电解池的工作原理和双水解原理知识来回答．

解答： 解：（1）①可逆反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

，故答案为：

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

；
②a．反应前后气体的体积不等，恒温、恒容条件下，容器内的压强不发生变化，可说明达到平衡状态，故a不选；
b．定条件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等，可说明正逆反应速率相等，达到平衡状态，故b不选；
c．一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变，说明达到平衡状态，故c不选；
d．一定条件下，单位时间内消耗2molCO，同时生成1molCH₃OH，不符合转化关系，不能说明达到平衡状态，故d选；
故答案为：d；
（2）①反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）中，反应向右进行，一氧化碳的转化率增大，温度升高，化学平衡向着吸热方向进行，根据图中的信息可以知道：T₂＞T₁，所以该反应是放热反应，故答案为：＜；
②对于放热反应，温度越高，化学平衡常数越小，T₂＞T₁，反之越大，所以K₁＞K₂，故答案为：＞；
③a、若容器容积不变，升高温度，反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡逆向移动，甲醇产率降低，故a错误；
b、将CH₃OH（g）从体系中分离，反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡正向移动，甲醇产率增大，故b正确；
c、使用合适的催化剂不会引起化学平衡的移动，甲醇的转化率不变，故c错误；
d、若容器容积不变，充入He，使体系总压强增大，单质各组分的浓度不变，化学平衡不移动，甲醇的转化率不变，故d错误；
故答案为：b；
（3）根据盖斯定律，反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）与反应①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-a kJ?mol^-1②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-b kJ?mol^-1③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-c kJ?mol^-1
将

1

2

（①-②+③×4）可得CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以反应的焓变△H=

b-a-4c

2

kJ?mol^-1，
故答案为：

b-a-4c

2

；
（4）①在甲醇燃料电池中，燃料甲醇作负极，氧气作正极，电解质中的阳离子移向正极，所以c口通入的物质为氧气，b口通入的物质为甲醇，故答案为：CH₃OH；O₂；
②该电池正极是氧气发生得电子的还原反应，电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，故答案为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
③当6.4g即0.2mol甲醇完全反应生成CO₂时，根据总反应：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，消耗氧气0.3mol，转移电子1.2mol，即个数为1.2N_A，故答案为：1.2；
（5）在电解池中，金属铝为阳极，发生电极反应：Al→Al³⁺+3e^-，铝离子会和碳酸氢根离子之间发生双水解反应生成氢氧化铝沉淀和二氧化碳，即Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，溶液逐渐变浑浊，故答案为：Al→Al³⁺+3e^-；Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．

点评：本题考查较为综合，涉及平衡常数的计算、平衡状态的判断以及外界条件对平衡移动的影响等有关电化学和热化学知识，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度较大．