Question

Ⅰ：工业上用CO₂和H₂在一定条件发生如下反应合成甲醇并放出大量的热：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g) ΔH₁   回答下列问题。
（1）已知：2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)   ΔH₂
则反应2CH₃OH(g)+3O₂(g)=2CO₂(g)+4H₂O(g)  ΔH=           （用含ΔH₁、ΔH₂表示）
（2）若反应温度升高，CO₂的转化率       (填“增大”“减小”或“不变”）。
（3）写出在酸性环境中，甲醇燃料电池中的正极反应方程式                             
Ⅱ：生产甲醇的原料H₂可用如下方法制得：CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)，一定温度下，将2 mol CH₄和4 mol H₂O通入容积为10L的密闭反应室中，反应中CO的物质的量浓度的变化情况如图所示，请回答下列问题：

（4）反应进行到4分钟到达平衡。请计算从反应开始到刚刚平衡，平均反应速率v(H₂)为               ；并求此反应在此温度下的平衡常数（在答题卡对应的方框内写出计算过程）。
（5）在第5分钟时将容器的体积瞬间缩小一半后，若在第8分钟时达到新的平衡（此时CO的浓度约为0.25 mol·L^—1 ），请在图中画出第5分钟后H₂浓度的变化曲线。

Answer 1

19（除指定外，其余每空2分，共15分）
Ⅰ（1） 3ΔH₂-2ΔH₁      （2）减小  （3）O₂ + 4e- + 4H⁺ = 2H₂O
Ⅱ（4）0.075 mol·L^-1·min^-1
（此空4分） CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)
起始（mol·L^-1）  0.2      0.4
变化（mol·L^-1）  0.1      0.1         0.1      0.3
平衡（mol·L^-1）  0.1      0.3         0.1      0.3

（5）

（3分，起点标对得1分，拐点、平台标对得1分、走势对得1分。5分钟时不画垂直连接线不扣分）

试题分析：（1）根据已知的两个方程式和所求方程式可知，所求方程式可由3×②-2×①所得，所以ΔH=3ΔH₂-2ΔH₁
（2）因为反应CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)是一个放热反应，所以根据平衡移动原理，温度升高，平衡左移，所以CO₂ 的转化率减小。
（3）电池的总反应方程式已经给出，根据总反应式2CH₃OH(g)+3O₂(g)=2CO₂(g)+4H₂O(g)，O₂ 做氧化剂化合价降低，所以正极发生的是3个O₂ 得12个e-。由于是酸性介质，所以不能有OH^- 参与反应，所以参与的是H⁺ ，同时生成水，所以反应式为3O₂ + 12e- + 12H⁺ = 6H₂O，化简后为O₂ + 4e- + 4H⁺ = 2H₂O。
（4）图像中的纵坐标是CO的浓度，所以要求氢气的平均反应速率需要根据方程式进行变形，所以v(H₂)=" 3v(CO)=3ΔC/Δt=0.3" mol·L^-1/4 min ="0.075" mol·L^-1·min^-1 。
平衡常数的计算过程为：
CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)
起始（mol·L^-1）  0.2      0.4
变化（mol·L^-1）  0.1      0.1         0.1      0.3
平衡（mol·L^-1）  0.1      0.3         0.1      0.3

（5）体积缩小一半后，压强增大且各组分的浓度瞬间增大1倍，所以图像的起点由0.1 mol·L^—1瞬间增大到0.2 mol·L^—1；又压强增大平衡往系数减小的一边移动，所以CO的浓度增大到约为0.25 mol·L^—1 为终点。