Question

19．甲醇是重要的化学工业基础原料和清洁液体燃料，工业上常利用CO来制备甲醇．
（1）已知：
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO燃烧热△H₃=c kJ/mol
求CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol
（2）在不同的密闭容器中按如下投料方式进行反应：

容器编号	容器体积/L	温度/K	CO物质的量/mol	H2物质的量/mol	CH3OH物质的量/mol	平衡时CO浓度/mol•L-1	平衡常数K
1	1.0	500	0.2	0.2	0	0.12	K1
2	1.0	800	0.1	0	0.1	0.16	K2
3	2.0	800	0.2	0.2	0	X	K3

反应进行2min后，容器2中反应达到平衡状态．
①计算800℃时，从反应开始至达到化学平衡，以H₂的浓度变化表示的化学反应速率是0.06mol/（L•min），此温度下的平衡常数K=17.36（列出表达式并计算结果，结果保留两位小数）
②下列说法正确的是D
A．X大于0.16
B．当v（CO）_正=2v（H₂）_逆时，反应达到平衡状态
C．平衡后，向容器1中通入0.2mol的CO和0.2mol的H₂，再次达到平衡时CO转化率增大
D．K₁＞K₂=K₃
（3）甲醇燃料电池由于其结构简单、能量转化率高、对环境无污染，而越来越受到关注，如图是一种甲醇燃料电池的工作原理
①写出该燃料电池负极电极反应方程式：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O
②当电路中有0.6mol电子通过时，需要在正极通入的标况下氧气的体积为3.36L，将生成的气体全部通入2L 0.3mol/L的氢氧化钠溶液中，此时溶液中各离子浓度由大到小顺序为c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）CO燃烧热△H₃=c kJ/mol，故燃烧热化学方程式为CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol，②×2-①+③×2得，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol，据此进行分析；
（2）①据v=$\frac{△c}{△t}$进行计算；K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$进行计算；
②A．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c） 0.2          0.2               0
变化          0.2-X      0.4-2X      0.2-X        
平衡           X          2X-0.2         0.2-X，容器2与容器3温度相同，故平衡常数相同即K₃=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.2-X}{X×（2X-0.2）^{2}}$=17.36，据此进行分析；
B．v（CO）_正与v（H₂）_逆．都表示正反应速率，不能说明到达平衡；
C．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c） 0.2        0.2                0
变化          0.08     0.16               0.08
平衡          0.12     0.04               0.08，故平衡常数K₁=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.08}{0.12×0.0{4}^{2}}$=416.7，此时CO转化率=$\frac{0.08}{0.2}×100%$=40%，
设CO变化了xmol            
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c）  0.32      0.24                 0.08
变化            x            2x                  x
平衡         0.32-x     0.24-2x          0.08+x，因为可逆反应不可能完全转化，故0.24-2x＞0，即x＜0.12，故CO转化率＜$\frac{0.12}{0.32}×100%$=37.5%，故再次达到平衡时CO转化率减小；
D．由以上数据得K₁＞K₂=K₃；
（3）①甲醇燃料电池，电解质为酸，燃料为负极，故甲醇为负极，失去电子发生氧化反应，据此书写电极反应方程式；
②正极发生的电极反应为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，据此进行计算；根据n（NaOH）与n（CO₂）比例关系判断反应产物，进而计算溶液中电解质物质的量，结合盐类水解与电离等判断．

解答 解：（1）CO燃烧热△H₃=c kJ/mol，故燃烧热化学方程式为CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol
①CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（l）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=c kJ/mol，②×2-①+③×2得，CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（2b-a+2c）KJ/mol，
故答案为：（2b-a+2c）KJ/mol；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c）   0.1             0               0.1
变化           0.06          0.12            0.06
平衡          0.16           0.12            0.04
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.12mol/L}{2min}$=0.06mol/（L•min）；K₂=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.16×0.1{2}^{2}}$=17.36，
故答案为：0.06mol/（L•min）；17.36；
②A．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c） 0.2           0.2                0
变化        0.2-X      0.4-2X          0.2-X
平衡           X         2X-0.2          0.2-X，容器2与容器3温度相同，故平衡常数相同即K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.2-X}{X×（2X-0.2）^{2}}$=17.36，解得X=0.16，故A错误；
B．v（CO）_正与v（H₂）_逆．都表示正反应速率，不能说明到达平衡，故B错误；
C．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c） 0.2         0.2                0
变化         0.08       0.16              0.08
平衡          0.12      0.04              0.08，故平衡常数K₁=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.08}{0.12×0.0{4}^{2}}$=416.7，此时CO转化率=$\frac{0.08}{0.2}×100%$=40%，
设CO变化了xmol
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（c） 0.32           0.24         0.08
变化            x               2x             x
平衡         0.32-x       0.24-2x      0.08+x，因为可逆反应不可能完全转化，故0.24-2x＞0，即x＜0.12，故CO转化率＜$\frac{0.12}{0.32}×100%$=37.5%，故再次达到平衡时CO转化率减小，故C错误；
D．由以上数据得K₁＞K₂=K₃，故D正确，
故答案为：D；
（2）①根据图知，甲醇为负极，失去电子发生氧化反应，负极反应式为CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂↑+2H₂O；
②正极发生的电极反应为O₂ +4e^-+2CO₂=2CO₃^2-
                                    22.4    4
                                   3.36    0.6，则V（O₂）=3.36L；参与反应的氧气在标准状况下体积为3.36L，物质的量为 $\frac{3.36L}{22.4L/mol}$=0.15mol，2CH₃OH+3O₂=2CO₂↑+4H₂O，由方程式得0.15mol氧气参与反应生成二氧化碳的物质的量为0.1mol，n（NaOH）=2L×0.3mol•L^-1=0.6mol，n（NaOH）：n（CO₂）=0.6mol：0.1mol=6：1，实质上发生反应CO₂+2NaOH=Na₂CO₃+H₂O，溶液中碳酸根水解，溶液呈碱性，故c（OH^-）＞c（H⁺），碳酸根的水解生成碳酸氢根，故c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）钠离子浓度最大，并且溶液中还有剩余的NaOH，故c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺），
故答案为：3.36L； c（Na⁺）＞c（OH^-）＞c（CO₃^2-）＞c（HCO₃^-）＞c（H⁺）．

点评 本题考查反应热，反应速率，平衡常数的计算，电极方程式的书写，及离子浓度大小的比较等知识，综合性很强，难度中等．