Question

20．甲醇是有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料，主要應用于精細化工、塑料等領域，也是農(nóng)藥、醫(yī)藥的重要原料之一．回答下列問題：
（1）工業(yè)上可用CO₂ 和H₂反應合成甲醇．已知25℃、101kPa 下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H1=-242kJ/mol
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol
①寫出CO₂與H₂反應生成CH₃OH（g）與H₂O（g）的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol．下列表示該反應的能量變化的示意圖中正確的是a（填字母代號）．

②合成甲醇所需的H₂可由下列反應制�。篐₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）．某溫度下該反應的平衡常數(shù)K=1．若起始時c（CO）=1mol/L，c（H₂O）=2mol/L，則達到平衡時H₂O的轉(zhuǎn)化率為33.3%．
（2）CO和H₂反應也能合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₂OH（g）△H=-90.1kJ/mol．在250℃下，將一定量的CO和H₂投入10L的恒容密閉容器中，各物質(zhì)的濃度（mol/L）變化如表所示（前6min沒有改變條件）：

	2min	4min	6min	8min	…
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	…
H2	x	0.12	0.12	0.2	…
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	…

①x=0.14，250℃時該反應的平衡常數(shù)K=46.3．
②若6～8min時只改變了一個條件，則改變的條件是加入1mol氫氣，第8min時，該反應是否達到平衡狀態(tài)？不是（填“是”或“不是”）．
（3）甲醇在原電池上的使用，提高了燃料的利用效率，達到節(jié)能減排的目的．若用熔融的Na₂CO₃使作電解質(zhì)、氧氣作助燃劑組成的燃料電池，寫出負極的電極反應式：2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）；
氣態(tài)產(chǎn)物能量比液態(tài)產(chǎn)物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反應為放熱反應，反應物的能量高于生成物的能量；
②若起始時c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，設H₂O的濃度變化量為xmol/L，則：
              H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始量（mol/L）：2       1       0       0
變化量（mol/L）：x       x       x        x
平衡量（mol/L）：2-x     1-x     x        x
再根據(jù)平衡常數(shù)列方程計算解答；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，從2min到4min，CO的濃度變化量為（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根據(jù)方程式計算氫氣的濃度變化量，2min時氫氣濃度=4min時氫氣濃度+氫氣濃度變化量；
4min與6min時，CO濃度相等，則4min、6min時反應處于平衡狀態(tài)，平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，代入平衡濃度計算；
②對比6min和8min時各物質(zhì)的濃度可知改變條件后反應反應向正方向進行，按照轉(zhuǎn)化量之比等于計量系數(shù)之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三種物質(zhì)的濃度應為：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氫氣的濃度為0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氫氣；
計算濃度商Qc，與平衡常數(shù)相比判斷第8min時是否達到平衡狀態(tài)；
（3）用熔融的Na₂CO₃使作電解質(zhì)、氧氣作助燃劑組成的燃料電池，負極上甲醇被氧化生成二氧化碳和水．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=3×（-242kJ/mol）-（-676kJ/mol）=-50 kJ/mol，
故熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
氣態(tài)產(chǎn)物能量比液態(tài)產(chǎn)物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反應為放熱反應，反應物的能量高于生成物的能量，則符合條件的圖象是a，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；a；
②若起始時c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，設H₂O的濃度變化量為xmol/L，則：
                      H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）：2       1                0             0
變化量（mol/L）：x       x                x             x
平衡量（mol/L）：2-x     1-x            x              x
則$\frac{x×x}{（1-x）×（2-x）}$=4，解得x=$\frac{2}{3}$，
故水的轉(zhuǎn)化率為$\frac{\frac{2}{3}mol/L}{2mol/L}$×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；
（2）①由表中數(shù)據(jù)可知，從2min到4min，CO的濃度變化量為（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根據(jù)方程式可知氫氣的濃度變化量為0.01mol/L×2=0.02mol/L，2min時氫氣濃度=0.12mol/L+0.02mol/L=0.14mol/L，
4min與6min時，CO濃度相等，則4min、6min時反應處于平衡狀態(tài)，故平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$=46.3，
故答案為：0.14；46.3；
②對比6min和8min時各物質(zhì)的濃度可知改變條件后反應反應向正方向進行，按照轉(zhuǎn)化量之比等于計量系數(shù)之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三種物質(zhì)的濃度應為：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氫氣的濃度為0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氫氣；
8min時濃度商Qc=$\frac{0.05}{0.05×0．{2}^{2}}$=25＜K=46.3，故8min時不是平衡狀態(tài)，反應向正反應進行，
故答案為：加入1mol氫氣；不是；
（3）甲醇燃料電池中，甲醇在負極發(fā)生氧化反應2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O，
故答案為：2CH₃OH-12e^-+6CO₃^2-=8CO₂+4H₂O．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡計算及影響因素、平衡常數(shù)計算及應用、熱化學方程式書寫、原電池等知識，為高考常見題型和高頻考點，側重于學生的分析能力和計算能力的考查，難度中等．