Question

6．甲醇既是一種可再生能源，又是一種重要的化工原料．工業(yè)上通過CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）生產(chǎn)甲醇．
（1）在一定溫度下，向1L密閉容器中充入1mol CO和2mo1H₂，發(fā)生上述反應，10分鐘時反應達平衡，此時CO的轉(zhuǎn)化率為50%．
①前10分鐘生成甲醇的平均反應速率為0.05mol/（L．min）；已知該反應在低溫下能自發(fā)進行，則反應的△H為＜（填“＞”、“＜”或“=”）0．
②下列關(guān)于上述反應的敘述，不正確的是BDE（填字母編號）．
A．縮小容器的體積，平衡將向右移動，c（CO）將變大
B．達到平衡時，移走部分甲醇，平衡將向右移動，正反應速率加快
C．恒溫、恒容條件下，容器內(nèi)的壓強不發(fā)生變化則該反應達到平衡狀態(tài)
D．反應過程中生成CH₃OH的速率與消耗CO的速率相等則該反應達到平衡狀態(tài)
E．使用合適的催化劑能縮短達到平衡的時間并提高CO的轉(zhuǎn)化率
（2）在容積為1L的恒容容器中，分別研究在230℃、250℃、270℃三種溫度下合成甲醇的規(guī)律．上述三種溫度下不同的H₂和CO的起始組成比（起始時CO的物質(zhì)的量均1mol）與CO平衡轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖1所示．
①在上述三種溫度中，曲線Z對應的溫度是270℃．
②利用圖中a點對應的數(shù)據(jù)，計算該反應在對應溫度下的平衡常數(shù)K=4．
（3）利用甲醇與水蒸氣催化重整可獲得清潔能源氫氣，已知：
CH₃OH （g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂ （g）△H₁=-192.9kJ．mol^-l
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?H₂O（g）△H₂=-120.9kJ．mol^-1
則甲醇與水蒸氣催化重整反應：CH₃OH�。╣）+H₂O�。╣）?CO₂（g）+3H₂（g） 的焓變△H₃=-70kJ．mol^-1．
（4）有人設計甲醇一空氣燃料電池的示意圖如圖2所示，工作時負極的電極反應式可表示為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
若以該電池為電源，用石墨做電極電解200mL含有下列離子的溶液：

離子	Cu2+	H+	Cl-	SO42-
c/mol•L-1	0.5	2	2	0.5

電解一段時間后，標況下當兩極收集到相同體積的氣體時，陽極上收集到氧氣的質(zhì)量為3.2g （忽略溶液體積的變化及電極產(chǎn)物可能存在的溶解現(xiàn)象）．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)CO的轉(zhuǎn)化率計算參加反應CO的物質(zhì)的量，根據(jù)方程式計算生成甲醇的物質(zhì)的量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH）；
由方程式可知3mol氣體反應生成1mol氣體，故該反應為熵減的反應，根據(jù)△G=△H-T△S＜0，可以自發(fā)進行，據(jù)此判斷；
②A．縮小容器的體積，壓強增大，平衡向右移動，但c（CO）將變大；
B．濃度降低，反應速率減小；
C．恒溫、恒容條件下，隨反應進行，容器內(nèi)壓強減小，容器內(nèi)的壓強不發(fā)生變化，反應達到平衡狀態(tài)；
D．CH₃OH生成速率與CO消耗速率，均表示正反應速率；
E．使用合適的催化劑，加快反應速率，不影響平衡移動；
（2）①由圖可知，H₂和CO的起始組成比一定時，平衡時CO轉(zhuǎn)化率：X＞Y＞Z，升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，結(jié)合反應熱效應判斷溫度關(guān)系；
②根據(jù)CO的轉(zhuǎn)化率計算參加反應的CO物質(zhì)的量，利用三段式計算平衡時各組分物質(zhì)的量，由于容器體積為1L，用物質(zhì)的量代替濃度代入平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算；
（3）根據(jù)蓋斯定律，已知熱化學方程式乘以適當?shù)南禂?shù)進行加減構(gòu)造目標熱化學方程式，反應熱也進行相應的計算；
（4）負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水；
電解過程中，開始陰極是Cu²⁺放電生成Cu，沒有氣體生成，陽極是Cl^-放電生成Cl₂，電解一段時間后，標況下當兩極收集到相同體積的氣體，說明陽極上氫離子放電生成H₂，由于氫離子、氯離子濃度相等，則二者物質(zhì)的量相等，等量的氫離子、氯離子放電生成氫氣、氯氣體積相等，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，氯離子放電完畢時，氫離子有剩余，二者最終兩極生成氫氣體積相等，故陽極上氯離子放電完畢，且氫氧根離子放電，根據(jù)根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計算生成氧氣物質(zhì)的量，再根據(jù)V=nV_m計算其體積．

解答 解：（1）①10分鐘時反應達平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則參加反應CO的物質(zhì)的量為1mol×50%=0.5mol，由CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），可知生成甲醇的物質(zhì)的量為0.5mol，容器體積為1L，則v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.5mol}{1L}}{10min}$=0.05mol/（L．min）；
由方程式可知3mol氣體反應生成1mol氣體，故該反應為熵減的反應，該反應在低溫下能自發(fā)進行，根據(jù)△G=△H-T△S＜0，反應自發(fā)進行，則反應的△H＜0，
故答案為：0.05mol/（L．min）；＜；
②A．縮小容器的體積，壓強增大，平衡向右移動，平衡時生成物的濃度增大，而平衡常數(shù)不變，故平衡時反應物的濃度也增大，故平衡時c（CO）將變大，故A正確；
B．平衡時移走部分甲醇，瞬間正反應速率不變，逆反應速率減小，平衡向正反應方向移動，而后反應速率減小，故B錯誤；
C．恒溫、恒容條件下，隨反應進行，容器內(nèi)壓強減小，容器內(nèi)的壓強不發(fā)生變化，反應達到平衡狀態(tài)，故C正確；
D．CH₃OH生成速率與CO消耗速率，均表示正反應速率，二者反應速率始終相等，故D錯誤；
E．使用合適的催化劑，加快反應速率，縮短達到平衡的時間，不影響平衡移動，CO的轉(zhuǎn)化率不變，故E錯誤，
故選：BDE；
（2）①由圖可知，H₂和CO的起始組成比一定時，平衡時CO轉(zhuǎn)化率：X＞Y＞Z，由（1）可知該反應正反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減小，故溫度：X＜Y＜Z，即Z曲線對于的溫度為270℃，
故答案為：270℃；
②$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=1.5，CO起始物質(zhì)的量為1mol，則氫氣起始物質(zhì)的量為1.5mol，反應達平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則參加反應CO的物質(zhì)的量為1mol×50%=0.5mol，
          CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（mol）：1      1.5       0
變化（mol）0.5     1         0.5
平衡（mol）：0.5    0.5       0.5
由于容器體積為1L，用物質(zhì)的量代替濃度計算平衡常數(shù)，故平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×0．{5}^{2}}$=4，
故答案為：4；
（3）已知：①CH₃OH （g）+$\frac{1}{2}$O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂ （g）△H₁=-192.9kJ．mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?H₂O（g）△H₂=-120.9kJ．mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g），則焓變△H₃=△H₁-△H₂=（-192.9kJ．mol^-1）-（-120.9kJ．mol^-1）=-70kJ．mol^-1，
故答案為：-70kJ．mol^-1；
（4）負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負極電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
電解過程中，開始陰極是Cu²⁺放電生成Cu，沒有氣體生成，陽極是Cl^-放電生成Cl₂，電解一段時間后，標況下當兩極收集到相同體積的氣體，說明陽極上氫離子放電生成H₂，由于氫離子、氯離子濃度相等，則二者物質(zhì)的量相等，等量的氫離子、氯離子放電生成氫氣、氯氣體積相等，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，氯離子放電完畢時，氫離子有剩余，二者最終兩極生成氫氣體積相等，故陽極上氯離子放電完畢，且氫氧根離子放電，
溶液中含有n（Cu²⁺）=0.5mol/L×0.2L=0.1mol，n（Cl^-）=2mol/L×0.2L=0.4mol，根據(jù)氯原子守恒可知生成氯氣為0.2mol，
設生成氧氣為x mol，則生成氫氣為（x+0.2）mol，根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒：
0.1mol×2+（x+0.2）mol×2=0.2mol×2+x mol×4
解得x=0.1，
故生成氧氣的質(zhì)量為0.1mol×32g/mol=3.2g，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；3.2g．

點評 本題考查化學反應速率計算、化學平衡計算、化學平衡影響因素、電極反應式書寫、電解有關(guān)計算，（4）中關(guān)鍵是判斷發(fā)生的反應，注意利用電子轉(zhuǎn)移守恒解答，難度中等．