Question

2．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=aKJ/mol
CO（g）+2H₂（g）═CH₂OH（g）△H=bKJ/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）═CH₂OH（g）
甲图是反应时CO和CH₂OH（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v（H₂）=0.15mol/（L•min）．

（3）在一容积可变的密闭容器中充入10molCO和20molH₂，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CH₂OH的生成速率的2倍数
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）．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．

Answer 1

分析 （1）已知：①2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol
根据盖斯定律，①+②×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）；
（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可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
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）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．

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；
故答案为：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：4；
（4）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．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡状态判断、盖斯定律应用、原电池，题目比较综合，为高考常见题型，需学生具备扎实的基础，是对学生综合能力的考查，（3）中体积计算为难点，注意掌握平衡常数应用，难度中等．