Question

15．甲醇合成反應為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）

（1）合成甲醇的反應過程中物質能量變化如圖1所示．寫出合成甲醇的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol．
（2）實驗室在lL密閉容器中進行模擬合成實驗．將1molCO和2molH₂通入容器中，分別恒溫在300℃和500℃反應，每隔一定時間測得容器中甲醇的濃度如下：（表中數(shù)據單位：mol•L^-l）

溫度\時間	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

①300℃時反應開始10分鐘內，H₂的平均反應速率為0.08mol/（L•min）；
②500℃時平衡常數(shù)K的數(shù)值為25；
③300℃時，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，在其他條件不變的情況下，對平衡體系產生的影響是cd（選填編號）．
a．c（H₂）減小     
b．正反應速率加快，逆反應速率減慢
c．CH₃OH的物質的量增加    
d．重新平衡時$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小
（3）如圖2是甲醇燃料電池工作的示意圖，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極．工作一段時間后，斷開K，此時A、B兩極上產生的氣體體積相同．
①甲中負極的電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙中A極析出的氣體在標準狀況下的體積為2.24l；
③反應結束后，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，需要300mL5.0mol•L^-lNaOH 溶液．

Answer 1

分析 （1）由反應過程中物質能量變化圖可知，1molCO（g）與2molH₂（g）完全反應生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，注明物質的狀態(tài)書寫熱化學反應方程式；
（2）①根據v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算v（CH₃OH），再利用速率之比等于其化學計量數(shù)之比計算v（H₂）；
②由表中數(shù)據可知，500℃平衡時甲醇為0.8mol/L，利用三段式計算平衡時各組分濃度，代入平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算；
③300℃時，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，平衡正向移動，正、逆反應速率均增大，但正反應速率增大更多，據此結合選項分析；
（3）①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離子與水；
②乙為電解池，A為陽極、B為陰極，A電極生成氣體為氧氣，B電極先析出Cu，而后生成氣體為氫氣，根據電子轉移守恒計算生成氣體的物質的量，進而計算氧氣的體積；
③丙為電解池，C為陽極、D為陰極，C用Cu作電極材料，為活性電極，陽極上Cu放電得到銅離子，陰極發(fā)生還原反應，溶液中氯離子物質的量不變，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，此時溶液中溶質為NaCl，根據氯離子守恒計算n（NaCl），根據鈉離子守恒計算n（NaOH），進而計算NaOH溶液體積．

解答 解：（1）由反應過程中物質能量變化圖可知，1molCO（g）與2molH₂（g）完全反應生成1molCH₃OH（g）放出熱量為（b-a）kJ，則熱化學反應方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol；
（2）①300℃時反應開始10分鐘內，甲醇濃度變化量為0.4mol/L，其v（CH₃OH）=$\frac{0.4mol/L}{10min}$=0.04mol/（L•min），速率之比等于化學計量數(shù)之比，則v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.04mol/（L•min）×2=0.08mol/（L•min），
故答案為：0.08mol/（L•min）；
②由表中數(shù)據可知，500℃平衡時甲醇為0.8mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（mol/L）：1       2         0
轉化（mol/L）：0.8     1.6       0.8
平衡（mol/L）：0.2     0.4       0.8
故500℃平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，故答案為：25；
③300℃時，將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，平衡正向移動，
a．體積縮小，c（H₂）增大，平衡正向移動不能消除氫氣濃度增大，故a錯誤；
b．壓強增大，正反應速率加快，逆反應速率也加快，平衡正向移動，正反應速率增大更多，故b錯誤；
c．平衡正向移動，則CH₃OH的物質的量增加，故c正確；
d．平衡正向移動，氫氣的物質的量減少，甲醇的物質的量增加，則重新平衡時時$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故d正確，
故答案為：cd；
（3）①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離子與水，負極電極反應為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙為電解池，A為陽極、B為陰極，A電極生成氣體為氧氣，B電極先析出Cu，而后生成氣體為氫氣，析出Cu的物質的量為0.1L×1mol/L=0.1mol，設氧氣、氫氣的物質的量均為n mol，根據電子轉移守恒：4n=2n+0.1×2，解得n=0.1，故A極析出的氧氣在標準狀況下的體積為0.1mol×22.4L/mol=2.24L，
故答案為：2.24L；
③丙為電解池，C為陽極、D為陰極，C用Cu作電極材料，為活性電極，陽極上Cu放電得到銅離子，陰極發(fā)生還原反應，溶液中氯離子物質的量不變，要使丙裝置中金屬陽離子恰好完全沉淀，此時溶液中溶質為NaCl，根據氯離子守恒n（NaCl）=3n（FeCl₃）=3×0.1mol×5mol/L=1.5mol，根據鈉離子守恒n（NaOH）=n（NaCl）=1.5mol，故需要NaOH溶液體積為$\frac{1.5mol}{5mol/L}$=0.3L=300mL，
故答案為：300．

點評 本題比較綜合，涉及熱化學方程式書寫、反應速率計算、平衡常數(shù)計算、化學平衡移動、電極反應式書寫、電化學有關計算等，需要學生具備扎實的基礎，（3）中注意利用守恒法計算，避免計算過程的繁瑣，較好的考查學生分析計算能力，難度中等．