Question

2．甲醇是一種重要的可再生能源．
（1）已知2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=aKJ/mol
CO（g）+2H₂（g）═CH₂OH（g）△H=bKJ/mol
試寫出由CH₄和O₂制取甲醇的熱化學方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol．
（2）還可以通過下列反應制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）═CH₂OH（g）
甲圖是反應時CO和CH₂OH（g）的濃度隨時間的變化情況．從反應開始到達平衡，用H₂表示平均反應速率v（H₂）=0.15mol/（L•min）．

（3）在一容積可變的密閉容器中充入10molCO和20molH₂，CO的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如乙圖所示．
①下列說法能判斷該反應達到化學平衡狀態的是BD．（填字母）
A．H₂的消耗速率等于CH₂OH的生成速率的2倍數
B．H₂的體積分數不再改變
C．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等
D．體系中氣體的平均摩爾質量不再改變
②比較A、B兩點壓強大小P_A＜P_B（填“＞、＜、=”）
③若達到化學平衡狀態A時，容器的體積為20L．如果反應開始時仍充入10molCO和20molH₂，則在平衡狀態B時容器的體積V（B）=4L．
（4）以甲醇為燃料，氧氣為氧化劑，KOH溶液為電解質溶液，可制成燃料電池（電極材料為惰性電極）．若KOH溶液足量，則寫出電池總反應的離子方程式：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol
根據蓋斯定律，①+②×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）；
（2）根據反應速率v=$\frac{△c}{△t}$，結合物質表示的反應速率之比等于物質前邊的系數之比來計算；
（3）①可逆反應到達平衡時，同種物質的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不變化說明到達平衡；
②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大；
③A、B反應溫度相等，則平衡常數相等，利用平衡常數計算；
（4）燃料電池總反應是燃料燃燒的化學方程式，在堿性環境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子．

解答 解：（1）已知①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a KJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b KJ/mol，①+②×2可得到2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol；
（2）用甲醇表示的反應速率v=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），氫氣表示的反應速率是甲醇的2倍，即0.15mol/（L•min），故答案為：0.15mol/（L•min）；
（3）A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故A錯誤；
B．H₂的體積分數不再改變是化學平衡的特征，達到了平衡，故B正確；
C．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故C錯誤；
D．體系中氣體的平均摩爾質量等于質量和物質的量的比值，物質的量變化，質量不變，所以當體系中氣體的平均摩爾質量不再改變，證明達到了平衡，故D正確；
故答案為：BD；
 ②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大，圖象中P_B轉化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案為：＜；
 ③A、B兩容器溫度相同，即化學平衡常數相等，且B點時CO的轉化率為0.8，
則            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20         0
轉化（mol）：8      16         8
平衡（mol）：2       4         8
設體積為VL，則有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}•（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，V=4L，
故答案為：4；
（4）燃料電池總反應是燃料燃燒的化學方程式，在堿性環境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算、平衡狀態判斷、蓋斯定律應用、原電池，題目比較綜合，為高考常見題型，需學生具備扎實的基礎，是對學生綜合能力的考查，（3）中體積計算為難點，注意掌握平衡常數應用，難度中等．