Question

甲醇應用于精細化工，塑料等領域，是基礎的有機化工原料和優(yōu)質(zhì)燃料．工業(yè)上利用H₂、CO和CO₂等氣體體系在催化劑條件下合成甲醇．
主要反應：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49kJ?mol^-1
副反應：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-206kJ?mol^-1
（1）寫出反應①平衡常數(shù)的表達式

 

．
（2）工業(yè)上可利用CH₃OH（g）制備CH₃OCH₃（g），寫出熱化學方程式

 

．
（3）生產(chǎn)中H₂和CO按物質(zhì)的量比為10：1投料，假設在反應容器中投入1mol CO和10mol H₂在某溫度下反應（只考慮反應①），達到反應限度后，測得甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為5%，計算CO轉(zhuǎn)化率，寫出計算過程．

 

（4）為尋找原料氣中合適的CO₂濃度，進行不同的實驗，每次實驗的壓強及H₂和CO投料比（物質(zhì)的量比為10：1）相同，實驗情況如圖，CO₂濃度對CO轉(zhuǎn)化率影響規(guī)律是：

 

，其原因是

 

．

（5）工業(yè)中常用甲醇為燃料制成燃料電池，請寫出在氫氧化鉀介質(zhì)中該電池的負極反應式

 

．

Answer 1

考點：化學平衡常數(shù)的含義,熱化學方程式,化學電源新型電池,產(chǎn)物的百分含量隨濃度、時間的變化曲線

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)反應的方程式和平衡常數(shù)的含義分析書寫；
（2）根據(jù)蓋斯定律由已知的熱化學方程式乘以相應的數(shù)值進行加減，來構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的數(shù)值進行加減；
（3）已知達到反應限度后，測得甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為5%，令轉(zhuǎn)化的CO的物質(zhì)的量xmol，根據(jù)三段式法表示出平衡時各組分的物質(zhì)的量，再求出x，然后利用轉(zhuǎn)化率定義計算；
（4）根據(jù)圖象中不同二氧化碳條件下CO的轉(zhuǎn)化率變化趨勢分析；CO₂與氫氣的反應是放熱反應，反應后容器中溫度升高，而H₂和CO的反應也是放熱反應，溫度升高該反應逆移；
（5）甲醇燃料電池中，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應．

解答： 解：（1）已知CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1，則其反應的平衡常數(shù)表達是K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

，
故答案為：K=

c(CH3OH)

c(CO)?c2(H2)

；
（2）已知反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91kJ?mol^-1
2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-206kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律：第一個方程反寫且計量數(shù)乘以2與第二個方程相加即得到目標方程式，所以CH₃OH（g）制備CH₃OCH₃（g）的熱化學方程式為2CH₃OH （g）?CH₃OCH₃ （g）+H₂O（g）△H=-24 kJ?mol^-1，
故答案為：2CH₃OH （g）?CH₃OCH₃ （g）+H₂O（g）△H=-24 kJ?mol^-1；
（3）設轉(zhuǎn)化的CO的物質(zhì)的量xmol，
                  CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）
初始物質(zhì)的量（mol） 1        10         0
轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量（mol） x        2x         x
平衡物質(zhì)的量（mol） 1-x      10-2x      x
已知達到反應限度后，測得甲醇的物質(zhì)的量分數(shù)為5%，則

x

11-2x

×100%=5%  解得：x=0.5mol，
所以CO的轉(zhuǎn)化率=

0.5mol

1mol

×100%=50%，
故答案為：50%；
（4）由圖象可知當二氧化碳濃度越大時，CO的轉(zhuǎn)化率越小；因為CO₂與氫氣的反應是放熱反應，反應后容器中溫度升高，而H₂和CO的反應也是放熱反應，溫度升高該反應逆移，則CO的轉(zhuǎn)化率減小，
故答案為：CO₂濃度越高CO轉(zhuǎn)化率越低；CO₂與氫氣的反應是放熱反應，CO₂濃度越高放出熱量越多，反應體系溫度也越高，促使平衡向逆方向移動，CO轉(zhuǎn)化率越低；
（5）甲醇燃料堿性電池中，甲醇在負極上發(fā)生氧化反應，甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應式為CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評：本題考查的知識點較多，題目綜合性較強，難度較大，主要考查了平衡常數(shù)表達式的書寫、蓋斯定律的應用、化學平衡的有關計算、燃料電池等，在書寫電池的電極方程式時要注意電解質(zhì)對反應產(chǎn)物的影響．