Question

工業上一般在恒容密閉容器中可以采用下列反應合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H（圖1中表示生成1mol物質時的能量）

（1）根據圖1請寫出合成甲醇的熱化學方程式

 

（熱量用E₁、E₂或E₃表示）．
（2）該反應的逆反應速率隨時間變化的關系如圖2．t₁時改變了某種條件，改變的條件可能是升高了溫度、

 

、

 

（填寫2項）．
（3）判斷反應達到平衡狀態的依據是（填字母序號，下同）

 

．
A.2v（H₂）（逆）=v（CO）（正）
B．混合氣體的密度不變
C．混合氣體的平均相對分子質量不變
D．CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發生變化
E．容器內CO、H₂、CH₃OH的濃度之比為1：2：1
（4）在一定溫度下，若將4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密閉容器中，充分反應后測得CO的轉化率為50%，則該反應的平衡常數為

 

．若此時再向該容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，判斷平衡移動的方向是

 

（“正向移動”“逆向移動”或“不移動”）與原平衡相比，CO的物質的量濃度

 

（填增大、不變或減小）．
（5）某甲烷燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質，CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料做電極．為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定，電池工作時必須有部分A物質參加循環（見圖3）．A物質的化學式是

 

；該原電池的負極反應式可表示為

 

．

Answer 1

考點：化學平衡狀態的判斷,熱化學方程式,化學電源新型電池,化學反應速率的影響因素,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）圖象分析反應是放熱反應，反應的焓變=斷裂化學鍵吸收的能量-形成化學鍵放出的熱量，標注物質的聚集狀態和對應反應的焓變寫出；
（2）圖象分析可知是逆反應速率增大，反應是否達到平衡不知，所以增大逆反應速率的因素均符合；
（3）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；
（4）依據化學平衡三段式列式計算平衡濃度，結合平衡常數概念就是得到，通過計算濃度商和平衡常數比較分析判斷反應進行的方向；
（5）燃料電池中，正極發生的反應是氧氣得電子被還原的過程，負極是甲烷失電子生成二氧化碳；電池是以熔融碳酸鹽為電解質，可以循環利用的物質只有二氧化碳．

解答： 解：（1）圖象分析反應是放熱反應，反應的焓變=斷裂化學鍵吸收的能量-形成化學鍵放出的熱量=E₁-E₃，標注物質的聚集狀態和對應反應的焓變寫出熱化學方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ；
（2）圖象分析可知是逆反應速率增大，反應是否達到平衡不知，所以增大逆反應速率的因素均符合，如加壓、等倍增加反應物和生成物、增加甲醇濃度、升高溫度、使用催化劑等，
故答案為：增加甲醇濃度；使用催化劑；
（3）判斷反應達到平衡狀態的依據正逆反應速率相等，平衡時各種物質的物質的量、濃度等不再發生變化；
A．無論反應是否達到平衡狀態，生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率始終相等，所以不能作為判斷平衡狀態的依據，故A錯誤；
B．混合物的質量始終不變，容器的體積不變，所以混合氣體的密度始終不變，所以不能作為判斷平衡狀態的依據，故B錯誤；
C．反應前后，混合氣體的物質的量改變，氣體的質量不變，反應達到平衡狀態時，混合氣體的相對平均分子質量不變，所以能作為判斷平衡狀態的依據，故C正確；
D．反應達到平衡狀態時，CH₃OH、CO、H₂的濃度都不再發生變化，所以能作為判斷平衡狀態的依據，故D正確；
E．容器內CO、H₂、CH₃OH的濃度之比為1：2：1，和起始量，變化量有關，不能作為平衡的標志，故E錯誤；
故選CD；
（4）在一定溫度下，若將4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密閉容器中，充分反應后測得CO的轉化率為50%，依據平衡三段式列式計算；
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） a      2a           0
變化量（mol/L）50%×a  a          0.5a
平衡量（mol/L）0.5a    a          0.5a
則該反應的平衡常數K=

0.5a

0.5a×a

=

1

a2

；
若此時再向該容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，濃度為c（CO）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，c（H₂）=

2a

2

+amol/L=2a，c（CH₃OH）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，Q=

a

a×(2a)2

=

1

4a2

＜K=

1

a2

，判斷平衡移動的方向是反應正向進行；達到新平衡與原平衡相比，CO的物質的量濃度增大；
故答案為：

1

a2

；正向移動；增大；
（4）燃料電池中，正極反應一定是氧氣得電子，該電池的電解質環境是熔融碳酸鹽，所以電極反應為：O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，負極是燃料失電子生成二氧化碳，負極電極反應為：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O；
故答案為：CO₂；CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．

點評：本題考查了影響化學平衡移動的因素、平衡狀態的判斷等知識點，熱化學方程式書寫與圖象分析方法是解題關鍵，題目難度中等．