Question

19．甲醇可作为燃料电池的原料．通过下列反应可以制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1在一容积可变的密闭容器中充入10mol CO和20molH₂，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如图1所示，当达到平衡状态A 时，容器的体积为20L．

（1）该反应的化学平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$．
（2）如反应开始时仍充入10mol CO和20mol H₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=4 L．
（3）关于反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）在化学平衡状态时的描述正确的是ACD（填字母）．
A．CO的含量保持不变        
B．容器中CH₃OH浓度与CO浓度相等
C．2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂）
D．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
（4）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），按照相同的物质的量投料，测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示．下列说法正确的是A．
A．温度：T₁＜T₂＜T₃
B．正反应速率：ν（a）＞ν（c）； ν（b）＞ν（d）
C．平衡常数：K（a）=K（c）； K（b）＞K（d）
D．平均摩尔质量：M（a）＜M（c）； M（b）＞M（d）
（5）某兴趣小组的同学用如图3所示装置研究有关电化学的问题．当闭合该装置的开关时，观察到电流计的指针发生了偏转．

请回答下列问题：
（a）当乙池中B极质量增加5.40g时，甲池中理论上消耗O₂的体积为280mL（标准状况），丙池中D（填“C”或“D”）极析出1.60g铜．
（b）若丙池中电极不变，将其中溶液换成NaCl溶液，开关闭合一段时间后，甲池中溶液的pH将增大（填“增大”、“减小”或“不变”，下同）；丙池中溶液的pH将减小．

Answer 1

分析 （1）T₁℃利用A点时CO的转化率，结合化学平衡常数表达式，计算化学平衡常数；
（2）A、B反应温度相等，则平衡常数相等，利用平衡常数计算；
（3）平衡标志是正逆反应速率相同，各成分浓度保持不变分析判断选项；
（4）A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T₁＜T₃，温度越高，反应速率越快；b、d两点压强相同，温度越高，反应速率越大；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T₁＜T₃，降低温度平衡向正反应方向移动，K值增大．平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同；
D．CO转化率的越大，n_总越小，由M=$\frac{m}{n}$，判断；
（5）（a）乙池是电解池结合电子守恒计算消耗氧气的体积，丙为电解池C为阳极，D为阴极，电解氯化铜溶液铜离子在阴极得到电子析出铜；
（b）甲中发生的反应为甲醇与氧气、氢氧化钾的反应，反应消耗氢氧根离子，则pH减小，丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，则丙中电解NaCl溶液生成氢氧化钠，所以溶液的pH增大．

解答 解：（1）平衡常数为产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值，K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$，故答案为：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$；
（2）A、B两容器温度相同，即化学平衡常数相等，且B点时CO的转化率为0.8，
则            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol）：10     20         0
转化（mol）：8      16         8
平衡（mol）：2       4         8
设体积为VL，则有K=$\frac{\frac{8}{V}}{\frac{2}{V}×（\frac{4}{V}）^{2}}$=4，V=4L，
故答案为：4；
（3）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），
A．CO的含量保持不变，说明反应达到平衡，故A正确；
B．容器中CH₃OH浓度与CO浓度相等，与消耗量和起始量有关反应不一定达到平衡，故B错误；
C．反应速率之比等于化学方程式系数之比是正反应速率之比，2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂），若2V_正（CH₃OH）=V_逆（H₂）说明V_正（H₂）=V_逆（H₂）说明反应达到平衡，故C正确；
D．混合气体质量不变，反应前后体积不同，反应过程中密度变化，容器中混合气体的密度保持不变说明反应达到平衡，故D正确；
故答案为：ACD；   
（4）A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，则T₁＜T₂＜T₃，故A正确；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T₁＜T₃，温度越高，反应速率越快，故υ（a）＜υ（c）．b、d两点温度相同，压强越大，反应速率越大，b点大于d点压强，则v（b）＞v（d），故B错误；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T₁＜T₃，降低温度平衡向正反应方向移动，则K（a）＞K（c），平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同，则K（b）=K（d），故C错误；
D．CO转化率的越大，n_总越小，由M=$\frac{m}{n}$，可知，a点n_总小，则M（a）＞M（c），M（b）＞M（d），故D错误；
故选A；
（5）（a）当乙池中B极质量增加5.4g为Ag，物质的量=$\frac{5.4g\\;}{108g/mol}$=0.05mol，依据电子守恒计算4Ag～O₂～4e-，甲池中理论上消耗O₂的体积=$\frac{0.05}{4}$mol×22，4L/mol=0.28L=280ml；丙为电解池C为阳极，D为阴极，电解氯化铜溶液铜离子在阴极得到电子析出铜，结合电子守恒计算2Ag～Cu～2e-，析出铜质量=$\frac{0.05}{2}$mol×64g/mol=1.60g，
故答案为：280；D；1.60；
（b）甲中发生的反应为甲醇与氧气、氢氧化钾的反应，反应消耗氢氧根离子，则pH减小，丙中电极不变，将其溶液换成NaCl溶液，则丙中电解NaCl溶液生成氢氧化钠，所以溶液的pH增大；
故答案为：增大；减小．

点评 本题考查图象分析以及三段式计算的应用、原电池电解池的相互串联问题等，考查范围广，难度中等，对于化学平衡状态的判断和电极反应式是高考的热点，要能够熟练应用，原电池电解池的相互串联问题，注意首先区分原电池和电解池．