Question

20．工业上一般在密闭容器中采用下列反应合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91KJ•mol^-1
（1）该反应有利于自发进行的外界条件是低温（填“高温”、“低温”或“任何温度”）．
（2）①在温度和容积不变的条件下发生反应，能说明该反应达到化学平衡状态的依据是AE（多选扣分）．
A．容器中压强保持不变  
B．混合气体的密度不变       
C． V_正（CO）=V_逆（H₂）
D．c（CO₃OH）=c（CO）         
E．混合气体的平均相对分子质量不变
（3）某温度下，将2mol CO和6mol H₂充入2L的密闭容器中，充分反应3min后达到平衡，测得c（CO）=0.4mol•L^-1．
①则3min内CO 的平均反应速率为0.2mol•L^-1•min^-1．该反应的平衡常数K=0.52．
若同样条件下起始时CO的物质的量为4mol，达到平衡后CH₃OH为2.4mol，则起始时H₂的物质的量为：4mol，CO的转化率为：60%．
②在其他条件不变的情况下，将容器体积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，与原平衡相比，下列有关说法正确的是BC（填字母）．
A．H₂的浓度减小               B．正反应速率加快，逆反应速率也加快
C．甲醇的物质的量增加         D．重新平衡时，n（H₂）/n（CH₃OH）增大
（4）甲醇-空气是一种高效的燃料电池，在氢氧化钾溶液中，电池反应方程式为：
2CH₃OH（g）+3O₂（g）+4KOH（aq）=2K₂CO₃（aq）+6H₂O （l）
请写出负极的电极反应式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（5）某条件下，2L的密闭容器中发生反应CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），已知某组实验c（CO）与反应时间t变化曲线Ⅰ． 若在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，请在图中绘出c（CO）与反应时间t变化曲线Ⅱ．

Answer 1

分析 （1）根据反应方程式可知，该反应为熵减的放热反应，根据△G=△H-T△S判断；
（2）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等（同种物质）或正逆反应速率之比等于系数之比（不同物质），平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，由此衍生的一些物理量不变，以此分析；
（3）①利用三段式分析，可计算得平衡时各物质的浓度，根据平衡常数的定义计算平衡常数，并由平衡常数计算出达到平衡后CH₃OH为2.4mol时各物质的平衡浓度，

根据根据转化率=$\frac{转化浓度}{起始浓度}$×100%计算；
②该反应为气体体积减小的反应，将容器体积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，相当于加压，平衡向正反应方向移动，据此判断；
（4）甲醇-空气燃料电池，在氢氧化钾溶液中，甲醇是还原剂在负极发生氧化反应，生成碳酸钾和水；
（5）已知某组实验c（CO）与反应时间t变化曲线Ⅰ（如图），若在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，各组分的浓度都减小，反应速率减小，达平衡所需时间变长；

解答 解：（1）根据△G=△H-T△S判断，△G＜0，反应自发进行，因为△H＜0，△S＞0，要△G＜0，必须低温条件下反应才能自发，
故答案为：低温；
（2）A．该反应为气体体积减小的反应，当容器中压强保持不变时，反应处于平衡状态，故A正确；  
B．该反应在恒容条件下进行，气体质量守恒，所以混合气体的密度不变不能说明反应是否处于平衡状态，故B错误；       
C． V_正（CO）=V_逆（H₂）根据方程式可知，正反应速率大于逆反应速率，反应未处于平衡状态，故C错误；
D．c（CO₃OH）=c（CO）不能说明正逆反应速率相等，故D错误；         
E．该反应总质量守恒，总物质的量减小，所以当混合气体的平均相对分子质量不变时，反应处于平衡状态，故E正确；
故选AE；
（3）①将2mol CO和6mol H₂充入2L的密闭容器中，其浓度分别为1mol/L、3mol/L，
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol/L）   1       3           0  
转化（mol/L）   0.6     1.2         0.6
平衡（mol/L）  0.4      1.8         0.6
所以CO 的平均反应速率为$\frac{0.6}{3}$mol•L^-1•min^-1=0.2mol•L^-1•min^-1，平衡常数K=$\frac{0.6}{0.4×1．{8}^{2}}$=0.52，
设起始时H₂的物质的量为x，则
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始（mol/L）   2        $\frac{x}{2}$           0  
转化（mol/L）   1.2     2.4         1.2
平衡（mol/L）  0.8      $\frac{x}{2}$-2.4       1.2
根据K=$\frac{1.2}{0.8×（\frac{x}{2}-2.4）^{2}}$=0.52，解得x=4mol，CO的转化率为$\frac{1.2}{2}$×100%=60%，
故答案为：0.2mol•L^-1•min^-1；0.52；4mol；60%；
②该反应为气体体积减小的反应，将容器体积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，相当于加压，平衡向正反应方向移动，
A．体积减小，H₂的浓度增大，故A错误；
B．增加压强，正反应速率加快，逆反应速率也加快，故B正确；
C．平衡正向移动，甲醇的物质的量增加，故C正确；
 D．衡向正反应方向移动，重新平衡时，n（H₂）/n（CH₃OH）减小，故D错误；
故选BC；
（4）甲醇-空气燃料电池，在氢氧化钾溶液中，甲醇是还原剂在负极发生氧化反应，生成碳酸钾和水，负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；

（5）已知某组实验c（CO）与反应时间t变化曲线Ⅰ（如图一）．若在t₀时刻将容器的体积扩大至4L，各组分的浓度都减小，反应速率减小，达平衡所需时间变长，图象为，
故答案为：．

点评 本题考查化学反应的自发、平衡状态判断、平衡常数、电化学原理等，综合性较大，难度中等，注意三段式解题法的运用．