Question

3．開發(fā)利用清潔能源具有廣闊的開發(fā)和應用前景，可減少污染解決霧霾問題．甲醇是一種可再生的清潔能源，一定條件下用CO和H₂合成CH₃OH：CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-105kJ•mol^-1．向體積為2L的密閉容器中充入2mol CO和4mol H₂，測得不同溫度下容器內(nèi)的壓強（P：kPa）隨時間（min）的變化關(guān)系如圖1中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ曲線所示：

（1）①Ⅱ和Ⅰ相比，改變的反應條件是Ⅱ中使用催化劑．
②反應Ⅰ在6min時達到平衡，在此條件下從反應開始到達到平衡時v （CH₃OH）=0.125 mol/（L．min）．
③反應Ⅱ在2min時達到平衡，平衡常數(shù)K（Ⅱ）=12．在體積和溫度不變的條件下，在上述反應達到平衡Ⅱ時，再往容器中加入1mol CO和3mol CH₃OH后v_（正）= v_（逆）．（填“＞”“＜”“=”），原因是濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，可逆反應處于平衡狀態(tài)．
④比較反應Ⅰ的溫度（T₁）和反應Ⅲ的溫度（T₃）的高低：T₁＞T₃（填“＞”“＜”“=”），判斷的理由是此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動．
（2）某研究所組裝的CH₃OH-O₂燃料電池的工作原理如圖2所示．
①該電池負極的電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺；．
②以此電池作電源進行電解，裝置如圖3所示．發(fā)現(xiàn)溶液逐漸變渾濁并有氣泡產(chǎn)生，其原因是Al-3e^-=Al³⁺、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．（用相關(guān)的離子方程式表示）．

Answer 1

分析 （1）①Ⅱ和Ⅰ相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質(zhì)的量減小的反應，應是使用催化劑；
②恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質(zhì)的量之比，故平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKPa}{2.0aKPa}$=3mol，則：
                          CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質(zhì)的量減小△n=2
起始量（mol）：2                 4                        0
變化量（mol）：1.5              3                         1.5                         6-3=3
平衡量（mol）：0.5                1                          1.5
再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH）；
③Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數(shù)相同，根據(jù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算平衡常數(shù)；
計算此時濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態(tài)，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行；
④反應Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度；
（2）①甲醇發(fā)生氧化反應，在負極反應酸溶液中失電子生成二氧化碳，據(jù)此書寫電極反應，再從氫離子移動方向分析．正極是氧氣在反應，注意電解質(zhì)是酸性的；
②陽極上鋁失電子生成鋁離子，鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應．

解答 解：（1）①Ⅱ和Ⅰ相比反應速率加快，不影響平衡移動，正反應為氣體物質(zhì)的量減小的反應，應是使用催化劑，
故答案為：Ⅱ中使用催化劑；
②恒溫恒容下，壓強之比等于氣體物質(zhì)的量之比，故平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為（2+4）mol×$\frac{1.0aKPa}{2.0aKPa}$=3mol，則：
                             CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）物質(zhì)的量減小△n=2
起始量（mol）：2                 4                      0
變化量（mol）：1.5                 3                   1.5                                    6-3=3
平衡量（mol）：0.5                1                    1.5
則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{1.5mol}{2L}}{6min}$=0.125 mol/（L．min），
故答案為：0.125 mol/（L．min）；
③Ⅱ、Ⅰ溫度相同，平衡常數(shù)相同，平衡常數(shù)K（Ⅱ）=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{1.5}{2}}{\frac{0.5}{2}×（\frac{1}{2}）^{2}}$=12，
此時濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，處于平衡狀態(tài)，則v（正）=v （逆），
故答案為：12；=，濃度商Qc=$\frac{\frac{1.5+3}{2}}{\frac{1+0.5}{2}×0．{5}^{2}}$=12=K，可逆反應處于平衡狀態(tài)；
④反應Ⅲ達平衡時所用的時間比反應Ⅰ達平衡時所用的時間長，化學反應速率快，且Ⅲ平衡時壓強比I小，與I相比平衡正向移動，正反應為氣體體積減小放熱反應，應降低溫度，故溫度T₁溫度更高，
故答案為：＞；此反應為放熱反應，降低溫度，反應速率減慢，平衡向正反應方向移動；
（2）①H向右移動，說明右面的電極是正極，故甲醇應從b也就是負極通入．甲烷失電子生成二氧化碳發(fā)生氧化反應，負極電極反應為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，正極是氧氣反應，在酸性條件下，電極反應式應為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺；
②鋁作陽極，陽極上電極反應式為Al=Al³⁺+3e^-；陽極上生成的鋁離子和碳酸氫根離子發(fā)生雙水解反應生成氫氧化鋁沉淀和二氧化碳氣體，所以溶液變渾濁Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑，
故答案為：Al-3e^-=Al³⁺、Al³⁺+3HCO₃^-=Al（OH）₃↓+3CO₂↑．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、反應速率與平衡常數(shù)、原電池原理等，理解掌握化學平衡常數(shù)應用，難度中等．