Question

8．甲醇是一種可再生能源，具有開發和應用的廣闊前景，工業上一般可采用如下反應來合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），現在實驗室模擬該反應并進行分析．

（1）下列各項中，不能夠說明該反應已達到平衡的是d（填序號）．
a．恒溫、恒容條件下，容器內的壓強不發生變化
b．一定條件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等
c．一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變
d．一定條件下，單位時間內消耗2mol CO，同時生成1mol CH₃OH
（2）圖1是該反應在不同溫度下CO的轉化率隨時間變化的曲線．
①該反應的焓變△H＜0（填“＞”、“＜”或“=”）．
②T₁和T₂溫度下的平衡常數大小關系是K₁＞K₂（填“＞”、“＜”或“=”）．
③若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是b．
a．升高溫度   
b．將CH₃OH（g）從體系中分離
c．使用合適的催化劑
d．充入He，使體系總壓強增大
（3）2009年10月，中國科學院長春應用化學研究所在甲醇燃料電池技術方面獲得新突破，甲醇燃料電池的工作原理如圖2所示．
①請寫出c口通入的物質發生的相應電極反應式O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O
②工作一段時間后，當0.2mol甲醇完全反應生成CO₂時，有1.2N_A個電子轉移．

Answer 1

分析 （1）可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等（同種物質）或正逆反應速率之比等于系數之比（不同物質），平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發生變化，由此衍生的一些物理量不變，以此分析；
（2）①根據溫度對化學平衡的影響來回答；
②溫度對化學平衡常數的影響和反應的吸放熱有關；
③化學平衡正向移動可增加甲醇產率；
（3）在甲醇燃料電池中，燃料甲醇作負極，發生失電子的氧化反應，氧氣作正極，發生得電子的還原反應，根據電極反應以及電子守恒來計算轉移電子的量．

解答 解：（1）a．由方程式可以看出，反應前后氣體的物質的量不相等，只有達到平衡狀態，容器壓強不發生變化，能判斷反應達到平衡狀態，故a錯誤；
b．一定條件下，CH₃OH分解的速率和CH₃OH生成的速率相等，即正逆反應速率相等，所以能判斷反應達到平衡狀態，故b錯誤；
c、一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變是平衡的標志，故c錯誤；
d、一定條件下，單位時間內消耗2molCO，同時生成1mol CH₃OH，只能表明正反應速率，不能表示正逆反應速率相等，故d正確；
故選d；
（2）①反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）中，反應向右進行，一氧化碳的轉化率增大，溫度升高，化學平衡向著吸熱方向進行，根據圖中的信息可以知道：T₂＞T₁，所以該反應是放熱反應，＜0，故答案為：＜；
②對于放熱反應，溫度越高，化學平衡常數越小，T₂＞T₁，反之越大，所以K₁＞K₂，故答案為：＞；
③a、若容器容積不變，升高溫度，反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡逆向移動，甲醇產率降低，故a錯誤；
b、將CH₃OH（g）從體系中分離，反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡正向移動，甲醇產率增大，故b正確；
c、使用合適的催化劑不會引起化學平衡的移動，甲醇的轉化率不變，故c錯誤；
d、若容器容積不變，充入He，使體系總壓強增大，單質各組分的濃度不變，化學平衡不移動，甲醇的轉化率不變，故d錯誤；
故選b；
（3）①在甲醇燃料電池中，燃料甲醇作負極，氧氣作正極，電解質中的陽離子移向正極，所以b口通入的物質為甲醇，c口通入的物質為氧氣，該電池正極是氧氣發生得電子的還原反應，電極反應式為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
②當0.2mol甲醇完全反應生成CO₂時，根據總反應：2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，消耗氧氣0.3mol，轉移電子1.2mol；
故答案為：1.2N_A．

點評 本題是一道關于化學平衡狀態的判斷、化學平衡的移動以及燃料電池的工作原理知識的考題，要求學生具有分析和解決問題的能力，難度不大．