Question

18．I．甲醇是重要的工业原料．煤化工可以利用煤炭制取水煤气从而合成甲醇CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
已知①常压下反应的能量变化如图1所示：

②有关键能的数据

化学键	H-H	H-O	O=O
键能KJ/mol	436	x	496

③CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
请回答下列问题
（1）请写出表示气态甲醇燃烧热的热化学方程式CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1
（2）在低温情况下有利于一氧化碳和氢气制备甲醇的反应自发进行（填“高温”或“低温”），H-O的键能数据x的值为462
（3）甲醇燃料电池的结构示意图如图2．甲醇进入负极极（填“正”或“负”），正极发生的电极反应为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O．
Ⅱ．一定条件下，在体积为3L的密闭容器中反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）达到化学平衡状态．
（4）该反应的平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；根据图3，升高温度，K值将减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
（5）判断该可逆反应达到化学平衡状态的标志是cdf（填字母）．
a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO）         b．混合气体的密度不再改变
c．混合气体的平均相对分子质量不再改变 d．CO、H₂、CH₃OH的浓度均不再变化．

Answer 1

分析 I．（1）燃烧热的热化学方程式中，可燃物为1mol，反应生成稳定的氧化物．
由图1可得热化学方程式：①．CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol，
又已知：②．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
③．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
根据盖斯定律，③×2+②-①可得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）；
（2）△H-T△S＜0反应自发进行；
已知：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol，
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
二者相加可得：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-240 kJ/mol，反应热=反应物总键能-生成物总键能，进而计算x的值；
（3）甲醇发生氧化反应，原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极通入，氧气在正极通入，由原电池示意图可知，负极是甲醇失去电子生成二氧化碳与氢离子，正极是氧气获得电子，与通过氢离子交换膜的氢离子结合生成水；
Ⅱ．（4）化学平衡常数是指：一定温度下，可逆反应到达平衡时，生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比，固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出；
由图3可知，温度越高平衡时甲醇物质的量越小，说明升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小；
（5）可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等且保持不变，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不再变化说明到达平衡．

解答 解：I．（1）燃烧热的热化学方程式中，可燃物为1mol，反应生成稳定的氧化物．
由图1可得热化学方程式：①．CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol，
又已知：②．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）△H=-280kJ/mol
③．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol
根据盖斯定律，③×2+②-①可得：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-757kJ•mol^-1；
（2）CO（g）+2H₂（l）=CH₃OH（g）△H=-91kJ/mol的△H＜0、△S＜0，△H-T△S＜0反应自发进行，故在低温下反应具有自发性；
已知：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-284 kJ/mol，
H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44kJ/mol
二者相加可得：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H=-240 kJ/mol，
反应热=反应物总键能-生成物总键能，则436kJ/mol+$\frac{1}{2}$×496kJ/mol-2×x kJ/mol=-240kJ/mol，解得x=462，
故答案为：低温；462；
（3）甲醇发生氧化反应，原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极通入，氧气在正极通入，由原电池示意图可知，负极是甲醇失去电子生成二氧化碳与氢离子，正极是氧气获得电子，与通过氢离子交换膜的氢离子结合生成水，正极电极反应式为：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：负极；O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O；
Ⅱ．（4）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）化学平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，由图3可知，温度越高平衡时甲醇物质的量越小，说明升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；减小；
（5）a．v_生成（CH₃OH）=v_消耗（CO），均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，故a错误；
b．混合气体总质量不变，容器容积不变，混合气体的密度为定值，故b错误；
c．混合气体总质量不变，随反应进行混合气体物质的量减小，平均相对分子质量增大，但混合气体的平均相对分子质量不再改变，说明反应到达平衡，故c正确；
d．平衡时各组分浓度不变，CO、H₂、CH₃OH的浓度均不再变化，说明反应到达平衡，故d正确，
故选：cd．

点评 本题考查热化学方程式书写、反应热计算、原电池、化学平衡常数、平衡状态判断，属于拼合型题目，（3）中注意正极电极反应式中产物不能为氢氧根离子，（2）中x计算为易错点，学生容易忽略化学键含义，直接利用氢气燃烧生成液体水的热化学方程式计算．