Question

工業(yè)上用CH₄和H₂O為原料通過下列反應在一定條件下制備新型燃料甲醇，反應如下：
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
請按要求回答下列問題：
（1）將0.20molCH₄和0.30molH₂O（g）通入容積為2L的密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應①，達到平衡時CH₄的轉化率與溫度、壓強的關系如圖1．當溫度不變縮小體積時此反應的逆反應速率（填“增大”、“減小”或“不變”）

 

；△H₁

 

0，p_l

 

p₂（均填“＜”、“=”或“＞”）；p_l、100°C時平衡常數(shù)的值K=

 

．
（2）為了探究反應②合成甲醇適宜的溫度和壓強，某同學設計了以下三組實驗，部分實驗條件已經填在下面實驗設計表中，請在空格中填入剩余的實驗條件數(shù)據(jù)．

實驗編號	T/℃	n（CO）/n（H2）	p/MPa
Ⅰ	150	1 3	0.1
Ⅱ			5
Ⅲ	300

若在300°C時其他條件不變，將該反應容器容積壓縮到原來的l/2，重新平衡時CH₃OH的物質的量的變化是

 

，K的變化是

 

（均填“增大”，“減小”或“不變”）．
（3）已知在常溫常壓下：2CH₃OH（I）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
H₂O（g）=H₂O（I）△H=-44.0kJ/mol，請計算32g新型燃料甲醇完全燃燒生成液態(tài)水放出熱量為

 

kJ．
（4）新型燃料甲醇還可以用做燃燒電池，其反應原理如圖2所示，電池工作時電子移動方向是（極板用M、N表示）

 

，負極電極反應式為

 

．若以該燃料電池作為電源，用石墨作電極電解500mL飽和食鹽水，當兩極共收集到1.12L（標準狀況下、不考慮氣體的溶解及反應）時，常溫下所得溶液的pH=

 

（假設反應前后溶液體積不變）．

Answer 1

考點：轉化率隨溫度、壓強的變化曲線,化學電源新型電池,化學平衡的影響因素

專題：化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）根據(jù)壓強對反應速率的影響，增大壓強，正逆反應速率都增大；由圖可知：升高溫度時，CH₄的轉化率增大，說明平衡向正方向移動，說明正方向是吸熱的；而增大壓強時，平衡向逆方向移動，轉化率減小，從圖中可看出：溫度相同時，壓強為P₂的CH₄的轉化率��；根據(jù)轉化率為50%，利用三段式求出各物質的平衡濃度，再帶入平衡常數(shù)表達式計算；
（2）“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，據(jù)此解答；其他條件不變，壓縮體積即增大壓強，平衡向氣體體積減小的方向移動，對于反應②即向正反應移動，甲醇的物質的量增加；溫度不變，平衡常數(shù)不變；
（3）利用蓋斯定律構成目標熱化學方程式，根據(jù)甲醇的質量求出其物質的量，再利用熱化學方程式計算放出熱量；
（4）燃料電池正極通入的是氧氣，負極通入的是燃料，原電池裝置中電子從負極流向正極；燃料電池負極發(fā)生的是燃料得電子的還原反應，生成CO₂和水，CO₂與OH^-結合成CO₃^2-，從而寫出負極的電極反應；收集到1.12L氣體即0.05mol，結合電解方程式：2Cl^-+2H₂O=Cl₂↑+H₂↑+2OH^-，求出C（OH^-），最終求出溶液的PH．

解答： 解：（1）溫度不變，縮小體積即增大壓強，根據(jù)壓強對反應速率的影響，增大壓強，正逆反應速率都增大；由圖1可知：升高溫度時，CH₄的轉化率增大，說明平衡向正方向移動，而升高溫度，平衡移動的方向是吸熱方向，所以△H₁＞0；對于反應①，增大壓強時，平衡向逆方向移動，CH₄的轉化率減小，從圖中可看出：溫度相同時，壓強為P₂的CH₄的轉化率小，說明P₁＜P₂；由圖1可知，由100℃平衡CH₄的轉化率為50%，則轉化的CH₄為0.2mol×50%=0.1mol，甲烷的濃度變化量為

0.1mol

2L

=0.05mol/L，則：
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始濃度（mol/L）：0.1     0.15       0       0
變化濃度（mol/L）：0.05    0.05      0.05    0.15
平衡濃度（mol/L）：0.05    0.1       0.05    0.15
所以，100℃時平衡常數(shù)k

0.153×0.05

0.05×0.1

=3.375×10^-2．
故答案為：
增大；＞；＜；3.375×10^-2 ；
（2）通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，由此可得：Ⅱ中溫度為150℃，n （CO）/n（H₂）為

1

3

，Ⅲ中n （CO）/n（H₂）為

1

3

，壓強為5（或0.1）；
其他條件不變，壓縮體積即增大壓強，即向正反應移動，甲醇的物質的量增加；溫度不變，平衡常數(shù)也不變；
故答案為：
實驗Ⅱ：150      

1

3

   
實驗Ⅲ：

1

3

     5（或0.1）
增大；不變；                
（3）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
          ②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
由蓋斯定律，①+②×4得2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l），故△H=-1275.6kJ∕mol+（-44.0kJ/mol）×4=-1451.6kJ∕mol，
所以，新型燃料甲醇完全燃燒生成液態(tài)水的熱化學方程式為：2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1451.6 kJ∕mol，
32g甲醇的物質的量為1mol，故放出的熱量為725.8kJ．
故答案為：725.8；               
（4）根據(jù)原電池原理，電子從負極流向正極，而燃料電池正極通入的是氧氣，負極通入的是燃料，故電池工作時電子移動方向是從N極經導線流向M極；燃料電池負極發(fā)生的是失電子的氧化反應，生成CO₂和水，CO₂與OH^-結合成
CO₃^2-，所以負極的電極反應為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
電解飽和食鹽水的電解方程式為：2NaCl+2H₂O=Cl₂↑+H₂↑+2NaOH，標況下1.12L氣體的物質的量為0.05mol，所以生成的Cl₂和H₂的物質的量均為0.025mol，則n（OH^-）=0.025mol×2=0.05mol，C（OH^-）=

0.05mol

0.5L

=0.1mol/L，所以，c（H⁺）=10^-13mol/L，pH=13．            
故答案為：從N極經導線流向M極；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；13．

點評：本題主要考查化學化學平衡的影響因素、化學平衡常數(shù)及其計算等，難度中等，注意基礎知識理解掌握，注意掌握三段式解題法．