Question

甲醇是一种优质燃料，可制作燃料电池。
（1）为探究用CO₂生产燃料甲醇的反应原理，现进行如下实验：在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，一定条件下发生反应：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)    △H＝－49.0kJ/mol
测得CO₂和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如右图。请回答：

①从反应开始到平衡，氢气的反应速率：v(H₂)＝                        。
②能够说明该反应已达到平衡的是_________。
A．恒温、恒容时，容器内的压强不再变化
B．恒温、恒容时，容器内混合气体的密度不再变化
C．一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变
D．一定条件下，单位时间内消耗3molH₂的同时生成1molCH₃OH
③下列措施中能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大的是           。
A．加入催化剂                B．充入He(g)，使体系压强增大
C．将H₂O(g)从体系中分离      D．降低温度
④求此温度(T₁)下该反应的平衡常数K₁＝                (计算结果保留三位有效数字)。
⑤另在温度(T₂)条件下测得平衡常数K₂，已知T₂＞T₁，则K₂     (填“＞”、“＝”或“＜”)K₁。
（2）以CH₃OH为燃料(以KOH溶液作电解质溶液)可制成CH₃OH燃料电池(电池总反应式：2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O)，则充入CH₃OH的电极为  极，充入O₂的电极反应式              。
（3）已知在常温常压下：
①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g)  △H₁
②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g) △H₂
则1mol甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和气态水时反应的△H＝                   。（用含△H₁、△H₂的式子表示）

Answer 1

（1）①0.225mol/(L·min)   ② A C    ③C D    ④5.33    ⑤＜
（2）①负； ②3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－（O₂＋4e^－＋2H₂O＝4OH^－也算对） （3）

试题分析：（1）①根据图像可知，反应进行到10min是物质的浓度不再发生变化，反应达到平衡状态，此时生成甲醇的物质的量浓度是0.75mol/L，则根据反应的方程式可知，消耗氢气的浓度是0.75mol/L×3＝2.25mol/L，所以v(H₂)＝2.25mol/L÷10min＝0.225mol/（L?min）。
②在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态，据此可以判断。A、根据方程式可知，反应两边气体的体积不相等，恒温、恒容时在反应过程中压强是变化的，当容器内的压强不再变化使，可以证明正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故A正确；B、密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，即气体的密度始终不变，所以恒温、恒容时，容器内混合气体的密度不再变化不能说明反应是否达到平衡状态，B不正确；C、一定条件下，CO、H₂和CH₃OH的浓度保持不变，说明正逆反应速率，达到了平衡状态，故C正确；D、根据方程式可知，一定条件下，单位时间内消耗3molH₂的同时，必然生成1molCH₃OH，因此用H₂、CH₃OH的物质的量浓度变化表示的反应速率的比为3:1的状态，不能判断正逆反应速率是否相等，故D错误，因此答案为A、C。
③A、催化剂不能改变平衡状态，所以加入催化剂不能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，A不正确；B、充入He气，参加反应的物质的浓度不变，平衡不移动，即平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)不变，故B错误；C、将H₂O（g）从体系中分离，生成物浓度减小，平衡向正反应方向移动，则平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故C正确；D、该反应正反应为放热反应，则降低温度平衡向正反应方向移动，能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故D正确，答案选C、D。
④化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，即K＝。达到平衡时，c(CO₂)＝0.25mol/L，c(CH₃OH)＝0.75mol/L，根据方程式可知c(H₂O)＝0.75mol/L。同样根据反应方程式，反应氢气的消耗浓度为生成的甲醇浓度的3倍，所以平衡状态时氢气的浓度为＝3mol/L－3×0.75mol/L＝0.75mol/L，因此K＝＝≈5.33。
⑤该反应正方应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，平衡常数减小，所以K₂＜K₁。
（2）原电池中负极失去电子，发生氧化反应。正极得到电子，发生还原反应，所以根据电池总反应式2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O可知，甲醇是还原剂，氧气是氧化剂，因此充入CH₃OH的电极为负极，氧气在正极通入。由于电解质是＝碱性溶液，所以充入O₂的电极反应式为3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－。
（3）已知反应①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g) △H₁、②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g) △H₂，则根据盖斯定律可知，（①－②）÷2即得到反应CH₃OH(l)＋O₂(g)＝CO(g)＋2H₂O(g)，所以该反应的反应热△H＝。