Question

甲醇是一種可再生能源，具有開發(fā)和應(yīng)用的廣闊前景，工業(yè)上一般可采用如下反應(yīng)來合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．
（1）上述反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=

[CH3OH]

[CO][H2]2

，以下有關(guān)說法正確的是

a

a．恒溫、恒容條件下，容器內(nèi)的壓強(qiáng)不發(fā)生變化則可逆反應(yīng)達(dá)到平衡
b．一定條件下，H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時(shí)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡
c．保持容器體積不變，升高溫度可提高CO的轉(zhuǎn)化率
d．使用合適的催化劑能縮短達(dá)到平衡的時(shí)間并提高CH₃OH的產(chǎn)量
（2）其它條件相同時(shí)，在T₁、T₂（T₁＜T₂）兩個(gè)不同溫度下可逆反應(yīng)達(dá)到平衡，請?jiān)趫D1中畫出CO的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的示意圖．

（3）已知在常溫常壓下：
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
則 CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=

△H=

b-a-4c

2

kJ?mol^-1．
（4）2009年10月，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所在甲醇燃料電池技術(shù)方面獲得新突破，組裝出了自呼吸電池及主動(dòng)式電堆．甲醇燃料電池的工作原理如圖2所示．
C極發(fā)生的電極反應(yīng)式為：

O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O

，工作一段時(shí)間后，當(dāng)6.4g甲醇完全反應(yīng)生成CO₂時(shí)，有

1.2

N_A個(gè)電子發(fā)生轉(zhuǎn)移．
（H：1  C：12  O：16）

Answer 1

分析：（1）根據(jù)平衡常數(shù)表達(dá)式K=

各個(gè)生成物平衡濃度系數(shù)次方的乘積

各個(gè)反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次方的乘積

來書寫并根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)的特征和標(biāo)志來判斷某種狀態(tài)是否是平衡狀態(tài)；
（2）對于放熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)速率加快，平衡向著吸熱方向進(jìn)行；
（3）根據(jù)蓋斯定律來計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變；
（4）在燃料電池中，負(fù)極是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)．

解答：解：（1）反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=

[CH3OH]

[CO][H2]2

，
a．恒溫、恒容條件下，對于反應(yīng)前后氣體體積變化的反應(yīng)，當(dāng)容器內(nèi)的壓強(qiáng)不發(fā)生變化則可逆反應(yīng)達(dá)到平衡，故a正確；b．一定條件下，H₂的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時(shí)，則可以得出反應(yīng)只是向著正向進(jìn)行，不能體現(xiàn)正逆反應(yīng)速率相等，故b錯(cuò)誤；
c．保持容器體積不變，升高溫度，平衡向著逆向進(jìn)行，可降低CO的轉(zhuǎn)化率，故c錯(cuò)誤；
d．使用合適的催化劑能縮短達(dá)到平衡的時(shí)間不會(huì)提高CH₃OH的產(chǎn)量和反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，故d錯(cuò)誤．
故答案為：

[CH3OH]

[CO][H2]2

；a；
（2）升高溫度，平衡向著逆向進(jìn)行，可降低CO的轉(zhuǎn)化率，但是溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)所需時(shí)間短，即，故答案為：；
（3）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）與反應(yīng)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
將

1

2

（①-②+③×4）可得CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以反應(yīng)的焓變△H=

b-a-4c

2

kJ?mol^-1，
故答案為：

b-a-4c

2

；
（4）根據(jù)裝置可以知道d出生成大量的水，所以e電極是通入的氧氣，發(fā)生電極反應(yīng)為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，當(dāng)6.4g甲醇完全反應(yīng)生成CO₂時(shí)，根據(jù)反應(yīng)2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g），當(dāng)消耗甲醇2mol時(shí)，轉(zhuǎn)移電子為12mol，所以當(dāng)6.4g甲醇即0.2mol甲醇完全反應(yīng)生成CO₂時(shí)，轉(zhuǎn)移電子是1.2mol，故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；1.2．

點(diǎn)評：本題是一道有關(guān)熱化學(xué)、電化學(xué)以及化學(xué)平衡知識的綜合題，要求學(xué)生具有分析和解決問題的能力，難度較大．