Question

6．甲醇是一种重要的化工原料，广泛应用于化工生产，也可以直接用作燃料．
（1）已知2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol
H₂O（g）=H₂O（1）△H=-44.0kJ/mol
甲醇不完全燃烧生成气态水的热化学方程式为2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1
若不完全燃烧20g甲醇生成液态水，此时放出的热量为333.5kJ
（2）用CO₂来生产燃料甲醇的反应原理：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），某些化学键的键能数据如下表：

化学键	C-H	H-H	C-O	C=O	H-O
键能/kJ•mol-1	a	b	c	d	e

计算上述反应的焓变△H=（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol（用相应字母表示），若只加压，则平衡常数K不变（选填“增大”，“减小”或“不变”）；
（3）高炉炼铁产生的废气中的CO可进行回收，使其在一定条件下和H₂反应制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
若在温度和容积相同的三个密闭容器中，按不同方式投入反应物，测得反应达到平衡时的有关数据如表：

容器	反应物投入的量	反应物的转化率	CH2OH的浓度	能量变化 （Q1、Q2、Q3均大于0）
甲	1molCO和2molH2	a1	c1	放出Q1kJ热量
乙	1molCH3OH	a2	c2	放出Q2kJ热量
丙	2molCO和4molH2	a3	c3	放出Q3kJ热量

下列关系正确的是AD
A．c₁=c₂   B.2Q₁=Q₃   C.2a₁=a₃   D．a₁+a₂=1
E．该反应若生成1molCH₂OH，则放出（Q₁+Q₃）kJ热量
（4）若在一体积可变的密闭容器中充入1molCO、2molH₂和1molCH₂OH，达到平衡时测得混合气体的密度是同温同压下起始密度的1.6倍，则达平衡前v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；
（5）甲醇一空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（如图），在接通电路一段时间后纯Cu质量增加3.2g（粗铜中杂质不参与电极反应）．
①请写出燃料电池中的负极反应式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O
②燃料电池正极消耗空气的体积是2.8L（标准状态，空气中O₂体积分数以20%计算）．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律写出甲醇不完全燃烧生成液态水的热化学方程式；
20g甲醇的物质的量=$\frac{20g}{32g/mol}$=$\frac{5}{8}$mol，根据甲醇和热量之间的关系式计算放出的热量；
（2）该反应的焓变=反应物总键能-生成物总键能；化学平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变；
（3）将乙中甲醇完全转化为CO和H₂，CO和H₂的物质的量分别是1mol、2mol，所以甲、乙是等效平衡，平衡时甲、乙容器中各物质浓度分别相等；
丙中CO和氢气的物质的量是甲的2倍，可以将丙的容器增大为甲的2倍，此时二者是一样状态，然后将丙容器体积缩小至原来体积，相当于增大压强，平衡正向移动；
（4）该体系体积可变，反应前后气体密度增大，质量不变，则体积减小，平衡向正反应方向移动；
（5）①燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，碱性条件下，负极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水；
②电解池中，阳极上铜离子得电子生成Cu，根据转移电子相等计算消耗空气体积．

解答 解：（1）2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol①
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ/mol②
H₂O（g）=H₂O（1）△H=-44.0kJ/mol③
根据盖斯定律，将已知反应①-②-③×4得到2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l），所以该反应的△H=（-1275.6kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）-（-44.0kJ/mol）×4=-533.6kJ•mol^-1，即2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1；
20g甲醇的物质的量=$\frac{20g}{32g/mol}$=$\frac{5}{8}$mol，1mol甲醇不完全燃烧放出533.6kJ热量，则$\frac{5}{8}$mol甲醇不完全燃烧放出的热量=$\frac{5}{8}$mol×533.6kJ=333.5kJ；
故答案为：2CH₃OH（l）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H=-533.6kJ•mol^-1；333.5kJ；
（2）该反应的焓变=反应物总键能-生成物总键能=（2d+3×2×b-3a-c-e-2e）kJ/mol=（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol；
化学平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，所以改变压强时平衡常数不变，
故答案为：（2d+6b-3a-c-3e）kJ/mol；不变；
（3）将乙中甲醇完全转化为CO和H₂，CO和H₂的物质的量分别是1mol、2mol，所以甲、乙是等效平衡，平衡时甲、乙容器中各物质浓度分别相等；
丙中CO和氢气的物质的量是甲的2倍，可以将丙的容器增大为甲的2倍，此时二者是一样状态，然后将丙容器体积缩小至原来体积，相当于增大压强，平衡正向移动；
A．甲、乙是等效平衡，则平衡时甲醇浓度相等，所以c₁=c₂，故正确；
B．根据以上分析知，丙中CO的转化率大于甲，所以放出的热量大于甲的2倍，所以2Q₁＜Q₃，故错误；
C．根据B知，丙中的转化率大于甲，但小于甲的2倍，即2a₁＞a₃，故错误；
D．甲乙是等效平衡，则a₁+a₂=1，故正确；
E．甲、乙处于相同的平衡状态，而且反应方向相反，两个方向转化的和恰好为1mol，所以该反应若生成1mol CH₃OH，则放出（Q₁+Q₂）kJ热量，故错误；
故选AD；
（4）该体系体积可变，反应前后气体密度增大，质量不变，则体积减小，平衡向正反应方向移动，则正反应速率大于逆反应速率，故答案为：＞；
（5）①燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，碱性条件下，负极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②电解池中，阳极上铜离子得电子生成Cu，原电池中正极上氧气得电子发生还原反应，阳极反应式为Cu²⁺+2e^-=Cu、正极反应式为 O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，生成Cu转移电子的物质的量=$\frac{3.2g}{64g/mol}×2$=0.1mol，根据转移电子相等得消耗氧气体积=$\frac{\frac{0.1mol}{4}×22.4L/mol}{20%}$=2.8L，
故答案为：2.8L．

点评 本题考查较综合，涉及原电池和电解池原理、化学平衡计算、盖斯定律等知识点，这些都是高频考点，难点是电极反应式的书写、等效平衡等知识点，注意（3）题甲、丙计算技巧，题目难度中等．