Question

工业上一般在恒容密闭容器中可以采用下列反应合成甲醇：

CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H
（1）根据图1请写出合成甲醇的热化学方程式

 

（热量用E₁、E₂或E₃表示）．
（2）判断反应达到平衡状态的依据是

 

（填字母序号）．
A.2v（H₂）（逆）=v（CO）（正）     B．混合气体的密度不变
C．混合气体的平均相对分子质量不变   D．CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化
E．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1
（3）在一定温度下，若将4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为50%，则该反应的平衡常数为

 

．若此时再向该容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，判断平衡移动的方向是

 

（“正向移动”“逆向移动”或“不移动”）；与原平衡相比，CO的物质的量浓度

 

（填“增大”、“不变”或“减小”）．
（4）某甲烷燃料电池是以熔融碳酸盐为电解质，CH₄为燃料，空气为氧化剂，稀土金属材料做电极．为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定，电池工作时必须有部分A物质参加循环（如图）．该原电池的负极反应式可表示为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素,化学平衡状态的判断,化学平衡的计算

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）图象分析反应是放热反应，反应的焓变=断裂化学键吸收的能量-形成化学键放出的热量，标注物质的聚集状态和对应反应的焓变写出；
（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）依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度，结合平衡常数概念就是得到，通过计算浓度商和平衡常数比较分析判断反应进行的方向；
（4）燃料电池中，正极发生的反应是氧气得电子被还原的过程，负极是甲烷失电子生成二氧化碳；电池是以熔融碳酸盐为电解质，可以循环利用的物质只有二氧化碳．

解答： 解：（1）图象分析反应是放热反应，反应的焓变=断裂化学键吸收的能量-形成化学键放出的热量=E₁-E₃，标注物质的聚集状态和对应反应的焓变写出热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ，
故答案为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=（E₁-E₃）或-（E₃-E₁）kJ?mol^-1 ；
（2）判断反应达到平衡状态的依据正逆反应速率相等，平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化；
A．v（H₂）（逆）=2v（CO）（正），说明氢气正逆反应速率相同说明反应达到平衡状态，2v（H₂）（逆）=v（CO）（正）不能说明反应达到平衡状态，故A错误；
B．混合物的质量始终不变，容器的体积不变，所以混合气体的密度始终不变，所以不能作为判断平衡状态的依据，故B错误；
C．反应前后，混合气体的物质的量改变，气体的质量不变，反应达到平衡状态时，混合气体的相对平均分子质量不变，所以能作为判断平衡状态的依据，故C正确；
D．反应达到平衡状态时，CH₃OH、CO、H₂的浓度都不再发生变化，所以能作为判断平衡状态的依据，故D正确；
E．容器内CO、H₂、CH₃OH的浓度之比为1：2：1，和起始量，变化量有关，不能作为平衡的标志，故E错误；
故选CD；
（3）在一定温度下，若将4a mol H₂和2a mol CO放入2L的密闭容器中，充分反应后测得CO的转化率为50%，依据平衡三段式列式计算；
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  a       2a          0
变化量（mol/L）50%×a    a           0.5a
平衡量（mol/L）0.5a      a           0.5a
则该反应的平衡常数K=

0.5a

0.5a×a2

=

1

a2

；
若此时再向该容器中投入a mol CO、2a mol H₂和a mol CH₃OH，浓度为c（CO）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，c（H₂）=

2a

2

mol/L+amol/L=2a，c（CH₃OH）=

a

2

mol/L+0.5amol/L=amol/L，Q=

a

a×(2a)2

=

1

4a2

＜K=

1

a2

，判断平衡移动的方向是反应正向进行；达到新平衡与原平衡相比，CO的物质的量浓度增大；
故答案为：

1

a2

；正向移动；增大；
（4）燃料电池中，正极反应一定是氧气得电子，该电池的电解质环境是熔融碳酸盐，所以电极反应为：O₂+2CO₂+4e^-=2CO ₃^2-，负极是燃料失电子生成二氧化碳，负极电极反应为：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O；
故答案为：CH₄+4CO₃^2--8e^-=5CO₂+2H₂O．

点评：本题考查了影响化学平衡移动的因素、平衡状态的判断、平衡常数计算、原电池原理和电极反应书写等知识点，热化学方程式书写与图象分析方法是解题关键，题目难度中等．