Question

甲醇是一種很好的燃料，工業(yè)上用CH₄和H₂O為原料，通過反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ來制備甲醇．

（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…Ⅰ．CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1．
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為

 

．
②圖中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時(shí)平衡常數(shù)為

 

．
③該反應(yīng)的△H

 

0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，a mol CO與 3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0…Ⅱ．
④若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是

 

．
A．升高溫度                    
B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大   
D．再充入1mol CO和3mol H₂
⑤為了尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(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(jì)表中．

實(shí)驗(yàn)編號	T（℃）	N（CO）/nH2	P（Mpa）
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A．則上表中剩余的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)：a=

 

、b=

 

．
B．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，如圖2是在壓強(qiáng)分別為0.1MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線圖，請指明圖中的壓強(qiáng)Px=

 

MPa．
（3）已知CO（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ/mol和-726.5kJ/mol，則CH₃OH（l）不完全燃燒生成CO（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式

 

（4）作為燃料，甲醇可制成燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示．關(guān)于該電池的敘述正確的是

 

．
A．當(dāng)電池反應(yīng)消耗了2mol甲醇時(shí)，轉(zhuǎn)移了12N_A個(gè)e^-
B．電池的負(fù)極反應(yīng)為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺
C．放電過程中，H⁺從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移
D．在電池反應(yīng)中，每消耗1mol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO₂氣體22.4/3L．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池,反應(yīng)速率的定量表示方法

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算氫氣的平均反應(yīng)速率；
②該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體體積增大的反應(yīng)，相同溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小的方向移動，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率確定壓強(qiáng)大��；平衡常數(shù)等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積之比；
③一定壓強(qiáng)下，升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，根據(jù)轉(zhuǎn)化率判斷反應(yīng)熱；
（2）④容器容積不變，增加甲醇產(chǎn)率，平衡向正反應(yīng)移動，根據(jù)外界條件對平衡的影響分析．
⑤采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，據(jù)此判斷n、m的值．
⑥根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強(qiáng)，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率，由此判斷；
（3）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析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；
（4）在燃料電池中，燃料是通入負(fù)極，甲醇在負(fù)極被氧化，氧氣通入正極，在正極得電子被還原，在酸性環(huán)境下，正極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，電池總反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，轉(zhuǎn)移電子是12mol，以此解答該題

解答： 解：（1）①根據(jù)v（H₂）=3v（CH₄）=3×

1.0mol×0.5 100L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，故答案為：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②根據(jù)化學(xué)方程式可以得出，增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向移動，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，可以去200℃來分析，發(fā)現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化率是p₁時(shí)大于p₂時(shí)的，所以P₁＜P₂，
         CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.01     0.02     0       0 
變化濃度：0.005    0.005    0.005    0.015
平衡濃度：0.005    0.015     0.005    0.015
100℃時(shí)平衡常數(shù)=

0.005×(0.015)3

0.005×0.015

（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
③一定壓強(qiáng)下，升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，則正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以△H＞0；故答案為：＞；
（2）④A、該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，即向逆反應(yīng)方向移動，甲醇的產(chǎn)率降低，故A錯(cuò)誤；
B、將CH₃OH（g）從體系中分離，產(chǎn)物的濃度降低，平衡向正反應(yīng)移動，甲醇的產(chǎn)率增加，故B正確；
C、充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，容器容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇的產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D、再充入1mol CO和3mol H₂，可等效為壓強(qiáng)增大，平衡向體積減小的方向移動，即向正反應(yīng)方向移動，甲醇的產(chǎn)率增加，故D正確．
故選：BD
②A、采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，所以溫度、壓強(qiáng)是變化的，

n(CO)

n(H2)

應(yīng)保持不變，所以b=

1

3

，比較使用1、2，壓強(qiáng)不同，所以溫度應(yīng)相同，故a=150，故答案為：a=150，b=

1

3

；
③溫度相同時(shí)，作垂直x軸的輔助線，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)為P_y的CO的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為前后體積減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大平衡向體積減小的方向移動，即向正反應(yīng)移動，所以P_x＜P_y，所以壓強(qiáng)P_x=0.1MPa．
故答案為：0.1；
（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，則
①CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1
由蓋斯定律可知，②-①得反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），則△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（4）A．電池總反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，轉(zhuǎn)移電子是12mol，即1mol CH₃OH完全反應(yīng)轉(zhuǎn)移6mol電子，所以當(dāng)電池反應(yīng)消耗了2mol甲醇時(shí)，轉(zhuǎn)移了12N_A個(gè)e^-
，故A正確；
B．燃料是通入負(fù)極，甲醇在負(fù)極被氧化，在酸性環(huán)境下，負(fù)極反應(yīng)：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，故B正確；
C．在原電池中，H⁺向正極移動，故C錯(cuò)誤；
D．在電池反應(yīng)中，每消耗1mol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO₂氣體

44.8

3

L，故D錯(cuò)誤；故選AB．

點(diǎn)評：本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡計(jì)算、蓋斯定律、化學(xué)平衡的影響因素、電化學(xué)及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識面廣，應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)知識的積累．注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．