Question

8．甲醇的研究成為當代社會的熱點．
Ⅰ．甲醇燃料電池（DNFC）被認為是21世紀電動汽車最佳候選動力源．
（1）101kPa時，1mol CH₃OH完全燃燒生成穩定的氧化物放出熱量726.51kJ/mol，則甲醇燃燒的熱化學方程式為CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1．
（2）甲醇質子交換膜燃料電池中將甲醇蒸汽轉化為氫氣的兩種反應原理是：
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，則反應②的△H₂=-192.8kJ•mol^-1．
（3）甲醇燃料電池的結構示意圖如圖1．甲醇進入負極（填“正”或“負”），正極發生的電極反應為O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O．

Ⅱ．一定條件下，在體積為3L的密閉容器中反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）達到化學平衡狀態．
（1）該反應的平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$；根據圖2，升高溫度，K值將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）500℃時，從反應開始到達到化學平衡，以H₂的濃度變化表示的化學反應速率是$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$（用n_B、t_B表示）．
（3）判斷該可逆反應達到化學平衡狀態的標志是c、d（填字母）．
a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）         b．混合氣體的密度不再改變
c．混合氣體的平均相對分子質量不再改變 d．CO、H₂、CH₃OH的濃度均不再變化
（4）300℃時，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，在其他條件不變的情況下，對平衡體系產生的影響是c、d（填字母）．
a．c（H₂）減少                  b．正反應速率加快，逆反應速率減慢
c．CH₃OH 的物質的量增加          d．重新平衡時$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依據燃燒熱概念是1mol可燃物完全燃燒生成穩定氧化物放出的熱量，題干所給量結合熱化學方程式書寫方法，標注物質聚集狀態和對應焓變；
（2）由蓋斯定律可知，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得到反應②；
（3）甲醇燃料電池中，甲醇為負極，正極發生還原反應，電極反應式為：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；
Ⅱ．（1）根據化學平衡常數為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，列出平衡常數的表達式；根據升高溫度乙醇的物質的量減小，平衡逆向移動，判斷平衡常數的變化；
（2）根據化學反應速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）計算；
（3）達到平衡時，正逆反應速率相等，混合氣體的平均相對分子質量不再改變，CO、H₂、CH₃OH的濃度不再改變；
（4）將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，反應速率增大，平衡向正反應方向移動，以此判斷．

解答 解：Ⅰ．（1）在25℃、101kPa下，1mol CH₃OH液體完全燃燒生成CO₂和液態水時放出熱量726.51kJ，則表示甲醇燃燒熱的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1；
（2）由蓋斯定律可知，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得到反應②，則△H₂=+49.0kJ•mol^-1+（-241.8kJ•mol^-1）=-192.8kJ•mol^-1，故答案為：-192.8；
（3）甲醇燃料電池中，甲醇中C元素的化合價升高，則甲醇為負極，正極發生還原反應，電極反應式為：O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O，故答案為：負；O₂+4H⁺+4e^-═2H₂O；Ⅱ．（1）化學平衡常數為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，反應物的生成物都是氣體，故平衡常數表達式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$，由圖象可知升高溫度乙醇的物質的量減少，平衡向逆反應方向移動，K減小，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$；減小；
（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），故答案為：$\frac{2{n}_{B}}{3{t}_{B}}$mol/（L．min）；
（3）達到平衡時，正逆反應速率相等，混合氣體的平均相對分子質量不再改變，CO、H₂、CH₃OH的濃度不再改變，在體積不變時，氣體的密度不變，不能作為判斷是否達到平衡狀態的依據，
故答案為：c、d；
（4）將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，正逆反應速率都增大，平衡向正反應方向移動，CH₃OH的物質的量增加，氫氣的物質的量減少，但濃度增大，甲醇的物質的量增多，故有c（H₂）/c（CH₃OH）減小，
故答案為：c、d．

點評 本題考查化學平衡的影響因素和化學平衡的標志等問題，題目難度中等，注意外界條件對化學平衡移動的影響以及平衡狀態的判斷角度．