Question

甲醇是一種優(yōu)質(zhì)燃料，可制作燃料電池。
（1）為探究用CO₂生產(chǎn)燃料甲醇的反應(yīng)原理，現(xiàn)進行如下實驗：在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)    △H＝－49.0kJ/mol
測得CO₂和CH₃OH(g)的濃度隨時間變化如右圖。請回答：

①從反應(yīng)開始到平衡，氫氣的反應(yīng)速率：v(H₂)＝                        。
②能夠說明該反應(yīng)已達到平衡的是_________。
A．恒溫、恒容時，容器內(nèi)的壓強不再變化
B．恒溫、恒容時，容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化
C．一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變
D．一定條件下，單位時間內(nèi)消耗3molH₂的同時生成1molCH₃OH
③下列措施中能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大的是           。
A．加入催化劑                B．充入He(g)，使體系壓強增大
C．將H₂O(g)從體系中分離      D．降低溫度
④求此溫度(T₁)下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K₁＝                (計算結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。
⑤另在溫度(T₂)條件下測得平衡常數(shù)K₂，已知T₂＞T₁，則K₂     (填“＞”、“＝”或“＜”)K₁。
（2）以CH₃OH為燃料(以KOH溶液作電解質(zhì)溶液)可制成CH₃OH燃料電池(電池總反應(yīng)式：2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O)，則充入CH₃OH的電極為  極，充入O₂的電極反應(yīng)式              。
（3）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g)  △H₁
②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g) △H₂
則1mol甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和氣態(tài)水時反應(yīng)的△H＝                   。（用含△H₁、△H₂的式子表示）

Answer 1

（1）①0.225mol/(L·min)   ② A C    ③C D    ④5.33    ⑤＜
（2）①負； ②3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－（O₂＋4e^－＋2H₂O＝4OH^－也算對） （3）

解析試題分析：（1）①根據(jù)圖像可知，反應(yīng)進行到10min是物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，此時生成甲醇的物質(zhì)的量濃度是0.75mol/L，則根據(jù)反應(yīng)的方程式可知，消耗氫氣的濃度是0.75mol/L×3＝2.25mol/L，所以v(H₂)＝2.25mol/L÷10min＝0.225mol/（L?min）。
②在一定條件下，當可逆反應(yīng)的正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等時（但不為0），反應(yīng)體系中各種物質(zhì)的濃度或含量不再發(fā)生變化的狀態(tài)，稱為化學平衡狀態(tài)，據(jù)此可以判斷。A、根據(jù)方程式可知，反應(yīng)兩邊氣體的體積不相等，恒溫、恒容時在反應(yīng)過程中壓強是變化的，當容器內(nèi)的壓強不再變化使，可以證明正逆反應(yīng)速率相等，達到了平衡狀態(tài)，故A正確；B、密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的，即氣體的密度始終不變，所以恒溫、恒容時，容器內(nèi)混合氣體的密度不再變化不能說明反應(yīng)是否達到平衡狀態(tài)，B不正確；C、一定條件下，CO、H₂和CH₃OH的濃度保持不變，說明正逆反應(yīng)速率，達到了平衡狀態(tài)，故C正確；D、根據(jù)方程式可知，一定條件下，單位時間內(nèi)消耗3molH₂的同時，必然生成1molCH₃OH，因此用H₂、CH₃OH的物質(zhì)的量濃度變化表示的反應(yīng)速率的比為3:1的狀態(tài)，不能判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，故D錯誤，因此答案為A、C。
③A、催化劑不能改變平衡狀態(tài)，所以加入催化劑不能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，A不正確；B、充入He氣，參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動，即平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)不變，故B錯誤；C、將H₂O（g）從體系中分離，生成物濃度減小，平衡向正反應(yīng)方向移動，則平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故C正確；D、該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，能使平衡混合物中n(CH₃OH)/n(CO₂)增大，故D正確，答案選C、D。
④化學平衡常數(shù)是在一定條件下，當可逆反應(yīng)達到平衡狀態(tài)時，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值，即K＝。達到平衡時，c(CO₂)＝0.25mol/L，c(CH₃OH)＝0.75mol/L，根據(jù)方程式可知c(H₂O)＝0.75mol/L。同樣根據(jù)反應(yīng)方程式，反應(yīng)氫氣的消耗濃度為生成的甲醇濃度的3倍，所以平衡狀態(tài)時氫氣的濃度為＝3mol/L－3×0.75mol/L＝0.75mol/L，因此K＝＝≈5.33。
⑤該反應(yīng)正方應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)減小，所以K₂＜K₁。
（2）原電池中負極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)，所以根據(jù)電池總反應(yīng)式2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－＝2CO₃^2－＋6H₂O可知，甲醇是還原劑，氧氣是氧化劑，因此充入CH₃OH的電極為負極，氧氣在正極通入。由于電解質(zhì)是＝堿性溶液，所以充入O₂的電極反應(yīng)式為3O₂＋12e^－＋6H₂O＝12OH^－。
（3）已知反應(yīng)①2CH₃OH(l)＋3O₂(g)＝2CO₂(g)＋4H₂O(g) △H₁、②2CO(g)+O₂(g)＝2CO₂(g) △H₂，則根據(jù)蓋斯定律可知，（①－②）÷2即得到反應(yīng)CH₃OH(l)＋O₂(g)＝CO(g)＋2H₂O(g)，所以該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H＝。
考點：考查反應(yīng)速率、平衡常數(shù)計算，外界條件對平衡狀態(tài)的影響和平衡狀態(tài)的判斷；甲醇燃料電池判斷以及蓋斯定律的應(yīng)用等