Question

5．甲醇被稱為21世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上用CH₄和H₂O為原料通過下列反應(yīng)①和②，
來制備甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H△
將0.20mol CH₄和0.30mol H₂O（g）通入容積為10L的密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)①，達(dá)到平衡時，CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖：
（1）溫度不變，縮小體積，①的逆反應(yīng)速率增大（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（2）反應(yīng)①的△H＞0（填“＜”“=”或“＞”）；
100℃時的平衡常數(shù)值K=1.35×10^-3．
（3）在壓強(qiáng)為0.1Mpa條件下，將a molCO與3a molH₂的混合氣體在催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)②
再生成甲醇．為了發(fā)尋找合成甲醇的適宜的溫度和壓強(qiáng)，某同學(xué)設(shè)計了二組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計表中．請在空格中填入剩余的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)．

實(shí)驗(yàn)編號	T（°C）	n（CO）/n（H2）	p（MPa）
Ⅰ	150	1/3	0.1
Ⅱ			5
Ⅲ	350		5

300°C時，其他條件不變，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，對平衡體系產(chǎn)生的影響是（填
字母）CD
A．c（H₂）減少
B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
C．CH₃OH的物質(zhì)的量增加D．重新平衡時c（H₂）/c（CH₂OH）減小
（4）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△△H₁=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△△H₂=-556.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△△H₃=-44.0kJ•mol^-1
寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1．
（5）據(jù)報道，最近摩托羅拉公司研發(fā)了一種由甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿做電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池，電量可達(dá)現(xiàn)在使用的鎳氫電池或鋰電池的十倍，可連續(xù)使用一個月才充一次電．其電池
反應(yīng)為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-?2CO₃^2-+6H₂O，放電時負(fù)極的電極反應(yīng)方程為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）溫度不變，縮小體積增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率增大；
（2）采取控制變量法分析，由圖可知壓強(qiáng)相同時，到達(dá)平衡時，溫度越高CH₄的轉(zhuǎn)化率越大，升高溫度平衡向正反應(yīng)移動；由100℃平衡CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5可知，消耗CH₄0.01mol，計算CH₄的濃度變化量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計算；將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，以此判斷；
（3）該同學(xué)通過“控制變量法”探究外界條件對化學(xué)平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，據(jù)此解答；
（4）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1根據(jù)蓋斯定律，將已知反應(yīng)$\frac{1}{2}$×（①-②+③×4）得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），據(jù)此計算該反應(yīng)的△H；
（5）放電時，相當(dāng)于原電池的工作原理，正極發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)．

解答 解：（1）溫度不變，縮小體積增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率增大，故答案為：增大；
（2）采取控制變量法分析，由圖可知壓強(qiáng)相同時，到達(dá)平衡時，溫度越高CH₄的轉(zhuǎn)化率越大，升高溫度平衡向正反應(yīng)移動，故正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，即△H＞0，
由100℃平衡CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5可知，消耗CH₄為0.2mol×0.5=0.1mol，平衡時甲烷的濃度變化量為0.01mol/L，故v（CH₄）=0.005mol/（L•min）；
平衡時甲烷的濃度變化量為0.01mol/L，則：
                        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：0.02        0.03             0             0
變化（mol/L）：0.01         0.01          0.01           0.03
平衡（mol/L）：0.01         0.02          0.01             0.03
故100℃時平衡常數(shù)k=$\frac{0.0{3}^{3}×0.01}{0.02×0.01}$=1.35×10^-3，
故答案為：＞；1.35×10^-3；
（3）通過“控制變量法”探究外界條件對化學(xué)平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，由此可得：Ⅱ中溫度為150℃，n （CO）/n（H₂）為$\frac{1}{3}$，Ⅲ中n （CO）/n（H₂）為$\frac{1}{3}$，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CH₃OH的物質(zhì)的量增加，濃度增大，氫氣的物質(zhì)的量減少，但濃度增大，甲醇的物質(zhì)的量增多，濃度增大，故有c（H₂）/c（CH₂OH）=n（H₂）/n（CH₃OH）減小，故選CD．
故答案為：

實(shí)驗(yàn)編號	T（℃）	n （CO）/n（H2）	P（MPa）
I
II	150	$\frac{1}{3}$
III		$\frac{1}{3}$

；CD；
（4））①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將已知反應(yīng)$\frac{1}{2}$×（①-②+③×4）得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以該反應(yīng)的△H=$\frac{1}{2}$×[（-1275.6kJ/mol）-（-566.0kJ/mol）+（-44.0kJ/mol）×4]=-442.8kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
（5）放電時，相當(dāng)于原電池的工作原理，正極是氧氣發(fā)生得電子的還原反應(yīng)，即O₂+2H₂O=4OH^-+4e^-，負(fù)極是甲醇發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，即CH₃OH+8OH^-=6H₂O+CO₃^2-+6e^-，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率計算、化學(xué)平衡常數(shù)的有關(guān)計算、化學(xué)平衡的影響因素、二次電池的有關(guān)知識等，難度中等，（3）中注意通過“控制變量法”探究外界條件對化學(xué)平衡的影響．