Question

6．甲醇可作为燃料电池的原料．通过下列反应可以制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，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）的变化如图1所示，当达到平衡状态B时，容器的体积为4L．
（1）该反应的化学平衡常数表达式为$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$．
（2）如反应开始时仍充入10mol CO 和20mol H₂，则在平衡状态A时，容器的体积V（A）=20 L．
（3）关于反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）建立化学平衡状态时的标志是AD（填字母）．
A．CO的含量保持不变               
B．容器中CH₃OH浓度与CO浓度相等
C．2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂）      
D．容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
（4）已知CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，试写出由CO₂和H₂制取甲醇的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1．
（5）甲醇对水质会造成一定的污染，有一种电化学法可消除这种污染，其原理是：通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．实验室用如图2装置模拟上述过程：
①写出阳极的电极反应式Co²⁺-e^-=Co³⁺
②写出除去甲醇的离子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）平衡常数为产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值；
（2）A、B温度相同，则化学平衡常数也相同，可利用A点时计算出化学平衡常数，计算得出B的体积；
（3）根据化学平衡状态的判断依据进行判断；
（4）利用盖斯定律计算得出热化学方程式；
（5）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）平衡常数为产物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂的乘积的比值，K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$，故答案为：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$；
（2）密闭容器中充入10mol CO和20mol H₂，达到平衡状态B时，CO转化率为0.8，此时各物质的物质的量为CO为2mol，H₂为4mol，CH₃OH为8mol，气体的物质的量为14mol，容器体积为4L；若反应开始时仍充入10mol CO 和20mol H₂，达到平衡状态A时，CO转化率为0.5，此时各物质的物质的量为CO为5mol，H₂为10mol，CH₃OH为5mol，气体的物质的量为20mol；由于A、B温度相同，化学平衡常数相同，设A点气体体积为V，则有$\frac{\frac{8}{4}}{\frac{2}{4}×（\frac{4}{4}）{\;}^{2}}$=$\frac{\frac{5}{V}}{\frac{5}{V}×（\frac{10}{V}）^{2}}$，V=20L，故答案为：20；
（3）A、CO的含量保持不变，各组分的物质的量，总物质的量不变，达到化学平衡状态，故A正确；
B、容器中CH₃OH浓度与CO浓度相等，是一个比较特殊的情况，此时可能达到平衡状态，也可能未达到平衡状态，故B错误；
C、2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂），都是指正反应方向，不能判断达到化学平衡状态，故C错误；
D、M_平均=$\frac{m{\;}_{总}}{n{\;}_{总}}$，气体总质量不变，反应前后计量数不同，即反应前后气体n_总不同，所以当M_平均不变时，达到了化学平衡状态，故D正确；
故选：AD；
（4）将CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1与CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，相加可得到CO₂和H₂制取甲醇的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1，故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1；
（5）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、化学平衡常数的应用、电解池原理分析和电极反应书写方法，化学平衡状态的特征及判断、化学平衡图象等知识、题目难度较大，注意认真分析．