Question

9．化學(xué)在能源開發(fā)與利用中起著重要的作用，如甲醇、乙醇、二甲醚（CH₃OCH₃）等都是新型燃料．
（1）在Cu₂O/ZnO做催化劑的條件下CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），將CO（g）和H₂（g）充入容積為2L的密閉容器中合成CH₃OH（g），反應(yīng)過程中，CH₃OH的物質(zhì)的量（n）與時間（t）及溫度的關(guān)系如圖1．

根據(jù)題意回答下列問題：
①反應(yīng)達(dá)到平衡時，平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
升高溫度，K值減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
②在500℃，從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.2mol•L^-1•s^-1．
③若其它條件不變，對處于Z點(diǎn)的體系，將體積壓縮至原來的$\frac{1}{2}$，達(dá)到新的平衡后，下列有關(guān)該體系的說法正確的是bc．
a．氫氣的濃度與原平衡比減少    b．正、逆反應(yīng)速率都加快
c．甲醇的物質(zhì)的量增加       d．重新平衡時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{H}_{3}OH）}$增大
（2）催化劑存在的條件下，在固定容積的密閉容器中投入一定量的CO和H₂，可制得乙醇（可逆反應(yīng)）．該反應(yīng)過程中能量變化如圖2所示：
①寫出CO和H₂制備乙醇的熱化學(xué)反應(yīng)方程式2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-E₂kJ/mol．
②在一定溫度下，向上述密閉容器中加入1mol CO、3mol H₂及固體催化劑，使之反應(yīng)．平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為Q kJ，若溫度不變的條件下，向上述密閉容器中加入4mol CO、12mol H₂及固體催化劑，平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為w kJ，則w的范圍為4Q＜w＜2E₂．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，具有清潔、高效的優(yōu)良性能．以二甲醚、空氣、氫氧化鉀溶液為原料，石墨為電極可構(gòu)成燃料電池，其工作原理與甲烷燃料電池原理相類似．該電池中負(fù)極上的電極反應(yīng)式是CH₃OCH₃+16OH^-12e^-=2CO^2-₃+11H₂O．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)平衡常數(shù)的概念，在300℃時，結(jié)合方程式CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH寫出平衡常數(shù)表達(dá)式；
②在500℃時，達(dá)平衡時CH₃OH的平衡物質(zhì)的量為0.5mol，可計(jì)算消耗氫氣的物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算反應(yīng)速率；
③縮小容器的體積相當(dāng)于加壓，然后根據(jù)壓強(qiáng)對濃度、速率和化學(xué)平衡的影響來解答；
（2）①根據(jù)能量變化圖判斷反應(yīng)物和生成物，及計(jì)算反應(yīng)物與生成物的活化能差，由此該反應(yīng)熱化學(xué)方程式；
②在一定溫度下，向上述密閉容器中加入1mol CO、3mol H₂，平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為Q kJ小于$\frac{1}{2}$E₂kJ，
該反應(yīng)前后氣體體積減小，增大壓強(qiáng)平衡正向移動，若溫度不變的條件下，向上述密閉容器中加入4mol CO、12mol H₂平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為w kJ，如果4molCO完全反應(yīng)放出的熱量為2E₂kJ，如果兩種情況下CO轉(zhuǎn)化率相同，則放出的熱量為4Q，實(shí)際上4molCO反應(yīng)時轉(zhuǎn)化率大于1molCO，所以放出的熱量大于4Q；
（3）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醚在負(fù)極放電，堿性條件下生成碳酸根與水，據(jù)此寫出負(fù)極電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）①根據(jù)平衡常數(shù)的概念，反應(yīng) CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
②在500℃，反應(yīng)2S達(dá)到平衡，密閉的容器容積為2L，生成CH₃OH的物質(zhì)的量為0.4mol，v（CH₃OH）=$\frac{\frac{0.4mol}{2L}}{2s}$=0.1mol•L^-1•s^-1，根據(jù)速率之比等于系數(shù)比，則氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.2mol•L^-1•s^-1．故答案為：0.2mol•L^-1•S^-1；
③其他條件不變時，將處于Z點(diǎn)的體系體積壓縮到原來的一半，容器的體積減小，則壓強(qiáng)增大，正逆反應(yīng)速率都增大，平衡向正向移動，甲醇的物質(zhì)的量n（CH₃OH）增多，氫氣的物質(zhì)的量n（H₂）減小，但由于體積減小的程度大，故平衡時氫氣的濃度反而增大（符合勒夏特列原理），重新平衡時$\frac{n（CO）}{n（C{H}_{3}OH）}$減��；
故答案為：bc；
（2）①該反應(yīng)熱化學(xué)方程式為2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-E₂kJ/mol，故答案為：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-E₂kJ/mol；
②在一定溫度下，向上述密閉容器中加入1mol CO、3mol H₂，平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為Q kJ小于$\frac{1}{2}$E₂kJ，
該反應(yīng)前后氣體體積減小，增大壓強(qiáng)平衡正向移動，若溫度不變的條件下，向上述密閉容器中加入4mol CO、12mol H₂平衡時，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為w kJ，如果4molCO完全反應(yīng)放出的熱量為2E₂kJ，如果兩種情況下CO轉(zhuǎn)化率相同，則放出的熱量為4Q，實(shí)際上4molCO反應(yīng)時轉(zhuǎn)化率大于1molCO，所以放出的熱量大于4Q，所以放出的熱量4Q＜w＜2E₂；故答案為：4Q＜w＜2E₂；
（3）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醚在負(fù)極放電，堿性條件下生成碳酸根與水，電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃+16OH^--12e^-=2CO₃^2-+11H₂O；
故答案為：CH₃OCH₃+16OH^-12e^-=2CO^2-₃+11H₂O．

點(diǎn)評 本題考查較綜合，涉及化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)平衡計(jì)算、反應(yīng)熱計(jì)算、原電池原理等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，明確化學(xué)平衡常數(shù)影響因素、原電池電極反應(yīng)式的書寫等知識點(diǎn)是解本題關(guān)鍵，注意：所有的平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與物質(zhì)的物質(zhì)的量多少及濃度無關(guān)，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫，要結(jié)合電解質(zhì)溶液酸堿性書寫．