Question

9．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试写出由CH₄和O₂制取甲醇的热化学方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol．
（2）还可以通过下列反应制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．甲图是反应时CO和CH₃OH（g）的浓度随时间的变化情况．从反应开始到达平衡，用H₂表示平均反应速率υ（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，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如乙图所示．
①下列说法能判断该反应达到化学平衡状态的是BD．（填字母）
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．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等
D．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小P_A＜P_B（填“＞、＜、=”）．
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L．如果反应开始时仍充入10molCO和20molH₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=4L．
（4）以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，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）．
①若KOH溶液足量，则写出电池总反应的离子方程式：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O．
②若电解质溶液中KOH的物质的量为0.8mol，当有0.5mol甲醇参与反应时，电解质溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律，1式加2式的二倍即可得到该方程式及焓变；
（2）根据反应速率v=$\frac{△c}{△t}$，结合物质表示的反应速率之比等于物质前边的系数之比来计算；
（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；
③A、B反应温度相等，则平衡常数相等，利用平衡常数计算；
（4）①燃料电池总反应是燃料燃烧的化学方程式，在碱性环境下，二氧化碳转化为碳酸根离子，据此书写；
②当有0.5mol甲醇参与反应时，产生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氢氧化钾反应，根据元素守恒可以计算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，据此确定离子浓度的大小顺序．

解答 解：（1）已知①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a KJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b KJ/mol，①+②×2可得到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）用甲醇表示的反应速率v=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），氢气表示的反应速率是甲醇的2倍，即0.15mol/（L•min），故答案为：0.15mol/（L•min）；
（3）A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，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．体系中气体的平均摩尔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摩尔质量不再改变，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：＜；
 ③A、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：4L；
（4）①燃料电池总反应是燃料燃烧的化学方程式，在碱性环境下，二氧化碳转化为碳酸根离子，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
②当有0.5mol甲醇参与反应时，产生的二氧化碳是0.5mol，和0.8mol氢氧化钾反应，根据元素守恒可以计算n （K₂CO₃）=0.3mol，n （KHCO₃）=0.2mol，二者的水溶液均为碱性，所以C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺），
故答案为：C（K⁺）＞C（CO₃^2-）＞C（HCO₃^-）＞C（OH^-）＞C（H⁺）．

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和溶液中离子浓度的大小比较知识，属于综合知识的考查，难度大．