Question

12．利用可再生能源代替石油和煤已经成为未来发展的趋势，甲醇作为重要的可再生能源具有广泛的开发和应用前景．工业上常利用反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0来合成甲醇．
（1）经研究发现在230℃～270℃时合成最为有利．为探寻合成气最合适的起始组成比，分别在230℃、250℃和270℃时进行实验，实验结果如图．230℃的实验结果所对应的曲线是X（填字母）； 从提高CO转化率的角度等综合分析，该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO）的比值范围是B（填字母）．
A．1～1.5　　　　B．2.5～3C．3.5～4.5
（2）制甲醇所需要的氢气，可通过下列反应制取：H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），△H＜0，某温度下该反应的平衡常数K=1．回答下列问题：
①该温度下，若起始时c（CO）=2mol•L^-1，c（H₂O）=3mol•L^-1，反应进行一段时间后，测得CO的浓度为1mol•L^-1，则此时该反应v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若降低温度，该反应的K值将增大（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（3）甲醇是一种化工原料，工业上合成甲醇的反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1．
若在温度、容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如下：

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	1molCO、2molH2	1mol CH3OH	2molCO、4molH2
CH3OH的浓度（mol/L）	c1	c2	c3
反应的能量变化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ

①容器内压强P：P_甲、P_乙与P_丙的关系是P_甲=P_乙＜P_丙（用“＞”、“＜”或“=”表示）；
②变化的热量数值Q中，Q₁ 与Q₂的和是90.8（填具体数值）．
（4）目前，以甲醇为原料的燃料电池已经应用于工业生产．如图是甲醇燃料电池应用的示意图，已知甲池的总反应式为：2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂O，，
请根据上图填写下列空白：
乙池中A电极的电极反应式为Ag⁺+e^-=Ag，甲池中通入CH₃OH电极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）正反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，CO的转化率减小；
该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围应是CO的转化率最大；
（2）①根据CO的浓度计算各物质的浓度，再计算此时浓度商Qc，若Qc=K，处于平衡状态，若Qc＜K，反应向正反应进行，若Qc＞K，反应向逆反应进行；
②因正反应放热，则降低温度平衡向正反应方向移动；
（3）①甲容器反应物投入1molCO、2molH₂与乙容器反应物投入1mol CH₃OH在保持恒温、恒容情况下是完全等效平衡，平衡时同种组分的物质的量相等，则平衡时压强相等．丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，由于该反应是气体体积减小的反应，温度、容积相同的情况下，反应物浓度增大一倍，相当于增大压强，平衡正向移动，反应物转化率增大；
②甲、乙平衡时同种组分物质的量相等，设平衡时CO物质的量xmol，计算可得热量之和；
（4）甲为原电池，负极发生氧化反应，通入甲醇电极为负极，通入氧气电极为正极，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水；
乙为电解池，A电极连接电源负极，为阴极，发生还原反应，Ag⁺得电子生成Ag．

解答 解：（1）合成甲醇是放热反应，温度越低转化率越大，结合图象可知，230℃的实验结果所对应的曲线是 X；该温度下工业生产适宜采用的合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围应是CO的转化率最大时，则合成气组成n（H₂）：n（CO） 的比值范围是2.5～3，如再增大比例，因此时转化率已经很高，而导致浪费氢气，
故答案为：X；B；
（2）①H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始（mol/L）：3       2       0       0
转化（mol/L）：1       1       1       1
一段时间后（mol/L）：2   1      1      1
浓度商Qc=$\frac{1×1}{2×1}$=0.5＜K=1，则平衡向正反应方向移动，则v（正）＞v（逆），
故答案为：＞；
②因正反应放热，则降低温度平衡向正反应方向移动，平衡常数增大，故答案为：增大；
（3）①甲容器反应物投入1molCO.2molH₂与乙容器反应物投入1mol CH₃OH在保持恒温、恒容情况下是完全等效平衡，平衡时同种组分的物质的量相等，则平衡时压强相等，丙容器反应物投入量2molCO、4molH₂，浓度加倍，相当于增大压强，
故答案为：P_甲=P_乙＜P_丙；
②甲、乙平衡时同种组分物质的量相等，设平衡时CO物质的量xmol，则Q₁+Q₂=90.8x+（1-x）×90.8=90.8，故答案为：90.8；
（4）甲为原电池，负极发生氧化反应，通入甲醇电极为负极，通入氧气电极为正极，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，负极电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
乙为电解池，A电极连接电源负极，为阴极，发生还原反应，Ag⁺得电子生成Ag，电极方程式为Ag⁺+e^-=Ag，
故答案为：Ag⁺+e^-=Ag；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评 本题综合考查化学平衡、电化学等知识，（3）中注意理解等效平衡问题，注意规律的归纳总结：从正、逆反应建立的等效平衡，转化率之和为1，若物质的起始物质的量等于化学计量，则热量之和等于反应热数值．