Question

【題目】H2是一種重要的清潔能源。

(1)2018年我國某科研團(tuán)隊(duì)利用透氧膜，一步即獲得合成氨原料和合成液態(tài)燃料的原料。其工作原理如圖所示（空氣中N2與O2的物質(zhì)的量之比按4：1計(jì)）。工作過程中，膜I側(cè)所得=3，則膜I側(cè)的電極方程式為________________________。

(2)已知: CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，H2還原CO反應(yīng)合成甲醇的熱化學(xué)方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH1，則ΔH1=_____________ kJ/mol，該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件為_________。

A.高溫 B.低溫 C.任何溫度條件下

(3)恒溫恒壓下，在容積可變的密閉容器中加入1mol CO和2.2 mol H2，發(fā)生反應(yīng) CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，實(shí)驗(yàn)測得平衡時CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強(qiáng)的變化如圖所示。

P1_______P2，判斷的理由是____________________________。

(4)若反應(yīng)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)在溫度不變且體積恒定為1L的密閉容器中發(fā)生，反應(yīng)過程中各物質(zhì)的物質(zhì)的量隨時間變化見下表所示：

時間/min	0	5	10	15
H2	4		2
CO	2			1
CH3OH(g)	0	0.7

①下列各項(xiàng)能作為判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡標(biāo)志的是_____(填字母)；

A.容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變 B.2v正(H2)=v逆(CH3OH)

C.混合氣體的相對分子質(zhì)量保持不變 D.混合氣體的密度保持不變

②若起始壓強(qiáng)為P0 kPa，則在該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=__________(kPa)-2。（用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

③反應(yīng)速率若用單位時間內(nèi)分壓的變化表示，則10min內(nèi)H2的反應(yīng)速率v(H2)= _______Pa/min。

Answer 1

【答案】12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2- -90.1 B > 正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，加壓平衡右移，CO的轉(zhuǎn)化率增大，由圖知相同溫度時P1下CO的轉(zhuǎn)化率大于P2，所以P1大于P2 AC

【解析】

(1)由圖可知：在膜II測CH4中的C失去電子被氧化為CO，膜I側(cè)氧氣水得到電子，據(jù)此分析解答；

(2)根據(jù)蓋斯定律將兩個熱化學(xué)方程式疊加，可得總反應(yīng)方程式；根據(jù)熱化學(xué)方程式判斷其ΔH、ΔS，并根據(jù)體系自由能公式ΔG=ΔH-TΔS<0反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行判斷；

(3)根據(jù)壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響分析判斷；

(4)①反應(yīng)是在恒容的密閉容器內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)該反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，若反應(yīng)達(dá)到平衡，則任何一組分的物質(zhì)的量、濃度及含量不變，平均相對分子質(zhì)量不變，據(jù)此分析；

②根據(jù)加入各種物質(zhì)的物質(zhì)的量及平衡分壓的含義、化學(xué)平衡常數(shù)的定義分析判斷；

③根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率的定義，用單位時間內(nèi)分壓的變化表示，可得H2的反應(yīng)速率。

(1)由圖可知：在膜II測CH4中的C失去電子被氧化為CO，膜I側(cè)氧氣、水得到電子，每1molO2反應(yīng)，得到4個電子，在膜I側(cè)發(fā)生的電極反應(yīng)為：①O2+4e-=2O2-，②H2O+2e-=H2+O2-↑，假設(shè)O2為1，則N2為4，由于在空氣中N2與O2的物質(zhì)的量之比按4：1，反應(yīng)后膜I側(cè)所得=3，則反應(yīng)后得到H2為12，即有12molH2O發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2，所以①+12×②可得膜I的總反應(yīng)式：12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2-；

(2) ①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，②CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，①+②，整理可得H2還原CO反應(yīng)合成甲醇的熱化學(xué)方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ/mol；根據(jù)熱化學(xué)方程式可知：該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的放熱反應(yīng)，ΔH<0，ΔS<0，根據(jù)體系的自由能公式ΔG=ΔH-TΔS，若反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，則ΔG<0，所以該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫可自發(fā)，選項(xiàng)B符合題意；

(3)反應(yīng)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，在其它條件不變時，增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡正向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖示可知CO的轉(zhuǎn)化率P1>P2，所以壓強(qiáng)：P1>P2，

(4)①A.反應(yīng)是在恒容的密閉容器內(nèi)進(jìn)行，由于該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，若反應(yīng)達(dá)到平衡，則容器內(nèi)氣體的壓強(qiáng)保持不變，A正確；

B.在任何時刻都存在：v正(H2)=2v正(CH3OH)，若反應(yīng)達(dá)到平衡v正(CH3OH)=v逆(CH3OH)，則v正(H2)=2v逆(CH3OH)，現(xiàn)在2v正(H2)=v逆(CH3OH)，說明反應(yīng)未處于平衡狀態(tài)，B錯誤；

C.由于該反應(yīng)反應(yīng)前后氣體分子數(shù)不相等，若混合氣體的相對分子質(zhì)量保持不變，說明氣體的物質(zhì)的量不變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，C正確；

D.由于反應(yīng)混合物都是氣體，在任何狀態(tài)下氣體的質(zhì)量不變，容器的容積不變，因此任何條件下，混合氣體的密度都保持不變，故不能據(jù)此判斷反應(yīng)是否處于平衡狀態(tài)，D錯誤；

故合理選項(xiàng)是AC；

② 2H2(g) +CO(g)CH3OH(g)

n始(mol) 4 2 0

n10(mol) 2 1 1

n平(mol)2 1 1

由于反應(yīng)開始時氣體的物質(zhì)的量是6mol，總壓強(qiáng)為P0，則平衡時H2占分壓為，CO占分壓為，CH3OH占分壓為，帶入平衡常數(shù)表達(dá)式Kp==(kPa)-2；

③反應(yīng)開始時H2占的分壓為，10分鐘時占分壓為，減少了，所以V(H2)== Pa/min。