Question

12．甲醇是一种重要的可再生能源．
（1）已知：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
写出由CH₄和O₂制取CH₃OH（g）的热化学方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol．
（2）反应：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的平衡常数K的表达式为K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
图1是反应时CO和CH₃OH（g）的物质的量浓度随时间（t）的变化曲线．从反应开始至达到平衡时，用H₂表示的反应速率v（H₂）=0.15mol/（L．min）．
（3）在一容积可变的密闭容器中充入10mol CO和20mol H₂，发生反应并达到平衡，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化曲线如图2所示．
①能判断该反应达到化学平衡状态的是BD（填选项字母）．
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的体积分数不再改变
C．H₂的转化率和CO的转化率相等
D．混合气体的平均相对分子质量不再改变
②比较A、B两点压强大小：P（A）＜P（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
③比较K_A、K_B、K_C的大小：K_A=K_B＞K_C．
（4）以甲醇为燃料，O₂为氧化剂，KOH溶液为电解质溶液，可制成燃料电池（电极材料为惰性电极）．若KOH溶液足量，写出燃料电池负极的电极反应式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，由已知方程式构建目标方程式可得到CH₄与O₂反应生成CH₃OH的热化学反应方程式；
（2）根据化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，列出平衡常数的表达式；根据化学反应速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）计算；
（3）①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；
②正反应方向为气体体积减小的方向，T₁℃时比较CO的转化率，转化率越大，则压强越大；
③平衡常数只与温度有关，A、B两点温度相同，平衡常数相同，由图可知，温度T₁＜T₂，平衡时B点CO转化率更高，则降低温度平衡向正反应方向移动，K值增大；
（4）燃料电池负极的电极反应是燃料失电子发生氧化反应，在碱性环境下，二氧化碳转化为碳酸根离子，据此书写．

解答 解：（1）①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
根据盖斯定律，由①+②×2得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol；
（2）化学平衡常数为生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，反应物的生成物都是气体，故平衡常数表达式为K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
υ（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），故υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=0.15mol/（L．min），
故答案为：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；0.15mol/（L．min）；
（3）A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，都是指正反应方向，不能说明正逆反应速率相等，不一定平衡，故A错误；
B．H₂的体积分数不再改变是化学平衡的特征，达到了平衡，故B正确；
C．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等，不能说明正逆反应速率相等，不一定平衡，故C错误；
D．混合气体的平均相对分子质量等于质量和物质的量的比值，物质的量变化，质量不变，所以当体系中气体的平均相对分子质量不再改变，证明达到了平衡，故D正确；
故选BD；
②正反应方向为气体体积减小的方向，T₁℃时比较CO的转化率，转化率越大，则压强越大，图象中P_B转化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案为：＜；
③平衡常数只与温度有关，A、B两点温度相同，平衡常数相同，则K_A=K_B；由图可知，B、C两点压强相同，平衡时B点CO转化率更高，又温度T₁＜T₂，则降低温度平衡向正反应方向移动，K值增大，则K_B＞K_C，故答案为：K_A=K_B＞K_C；
（4）燃料电池负极的电极反应是燃料失电子发生氧化反应，在碱性环境下，二氧化碳转化为碳酸根离子，所以负极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评 本题主要考查了热化学方程式的书写、化学平衡状态的判断、平衡的计算以及燃料电池中电极反应的书写知识，属于综合知识的考查，难度大．