Question

12．甲醇是一種重要的可再生能源．
（1）已知：2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
寫出由CH₄和O₂制取CH₃OH（g）的熱化學方程式：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol．
（2）反應：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的平衡常數(shù)K的表達式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
圖1是反應時CO和CH₃OH（g）的物質的量濃度隨時間（t）的變化曲線．從反應開始至達到平衡時，用H₂表示的反應速率v（H₂）=0.15mol/（L．min）．
（3）在一容積可變的密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，發(fā)生反應并達到平衡，CO的平衡轉化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化曲線如圖2所示．
①能判斷該反應達到化學平衡狀態(tài)的是BD（填選項字母）．
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的體積分數(shù)不再改變
C．H₂的轉化率和CO的轉化率相等
D．混合氣體的平均相對分子質量不再改變
②比較A、B兩點壓強大�。篜（A）＜P（B）（填“＞”、“＜”或“=”）．
③比較K_A、K_B、K_C的大�。篕_A=K_B＞K_C．
（4）以甲醇為燃料，O₂為氧化劑，KOH溶液為電解質溶液，可制成燃料電池（電極材料為惰性電極）．若KOH溶液足量，寫出燃料電池負極的電極反應式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，由已知方程式構建目標方程式可得到CH₄與O₂反應生成CH₃OH的熱化學反應方程式；
（2）根據(jù)化學平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，列出平衡常數(shù)的表達式；根據(jù)化學反應速率是υ（H₂）=2υ（CH₃OH）計算；
（3）①平衡標志是正逆反應速率相同，各成分濃度保持不變分析判斷選項；
②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大；
③平衡常數(shù)只與溫度有關，A、B兩點溫度相同，平衡常數(shù)相同，由圖可知，溫度T₁＜T₂，平衡時B點CO轉化率更高，則降低溫度平衡向正反應方向移動，K值增大；
（4）燃料電池負極的電極反應是燃料失電子發(fā)生氧化反應，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子，據(jù)此書寫．

解答 解：（1）①2CH₄（g）+O₂（g）=2CO（g）+4H₂（g）△H=a kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=b kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b） kJ/mol；
（2）化學平衡常數(shù)為生成物的濃度冪之積除以反應物的濃度冪之積，反應物的生成物都是氣體，故平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；
υ（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L．min），故υ（H₂）=2υ（CH₃OH）=0.15mol/（L．min），
故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}$；0.15mol/（L．min）；
（3）A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，都是指正反應方向，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故A錯誤；
B．H₂的體積分數(shù)不再改變是化學平衡的特征，達到了平衡，故B正確；
C．體系中H₂的轉化率和CO的轉化率相等，不能說明正逆反應速率相等，不一定平衡，故C錯誤；
D．混合氣體的平均相對分子質量等于質量和物質的量的比值，物質的量變化，質量不變，所以當體系中氣體的平均相對分子質量不再改變，證明達到了平衡，故D正確；
故選BD；
②正反應方向為氣體體積減小的方向，T₁℃時比較CO的轉化率，轉化率越大，則壓強越大，圖象中P_B轉化率大于P_A，可知P_A＜P_B，故答案為：＜；
③平衡常數(shù)只與溫度有關，A、B兩點溫度相同，平衡常數(shù)相同，則K_A=K_B；由圖可知，B、C兩點壓強相同，平衡時B點CO轉化率更高，又溫度T₁＜T₂，則降低溫度平衡向正反應方向移動，K值增大，則K_B＞K_C，故答案為：K_A=K_B＞K_C；
（4）燃料電池負極的電極反應是燃料失電子發(fā)生氧化反應，在堿性環(huán)境下，二氧化碳轉化為碳酸根離子，所以負極反應為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評 本題主要考查了熱化學方程式的書寫、化學平衡狀態(tài)的判斷、平衡的計算以及燃料電池中電極反應的書寫知識，屬于綜合知識的考查，難度大．