Question

6．甲醇可作為燃料電池的原料．通過下列反應可以制備甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，在一容積可變的密閉容器中充入10molCO和20molH₂，CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度（T）、壓強（P）的變化如圖1所示，當達到平衡狀態(tài)B時，容器的體積為4L．
（1）該反應的化學平衡常數(shù)表達式為$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$．
（2）如反應開始時仍充入10mol CO 和20mol H₂，則在平衡狀態(tài)A時，容器的體積V（A）=20 L．
（3）關于反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）建立化學平衡狀態(tài)時的標志是AD（填字母）．
A．CO的含量保持不變               
B．容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等
C．2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂）      
D．容器中混合氣體的平均相對分子質(zhì)量保持不變
（4）已知CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，試寫出由CO₂和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1．
（5）甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實驗室用如圖2裝置模擬上述過程：
①寫出陽極的電極反應式Co²⁺-e^-=Co³⁺
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）平衡常數(shù)為產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值；
（2）A、B溫度相同，則化學平衡常數(shù)也相同，可利用A點時計算出化學平衡常數(shù)，計算得出B的體積；
（3）根據(jù)化學平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)進行判斷；
（4）利用蓋斯定律計算得出熱化學方程式；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）平衡常數(shù)為產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值，K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$，故答案為：K=$\frac{c（CH{\;}_{3}OH）}{c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）•c（CO）}$；
（2）密閉容器中充入10mol CO和20mol H₂，達到平衡狀態(tài)B時，CO轉(zhuǎn)化率為0.8，此時各物質(zhì)的物質(zhì)的量為CO為2mol，H₂為4mol，CH₃OH為8mol，氣體的物質(zhì)的量為14mol，容器體積為4L；若反應開始時仍充入10mol CO 和20mol H₂，達到平衡狀態(tài)A時，CO轉(zhuǎn)化率為0.5，此時各物質(zhì)的物質(zhì)的量為CO為5mol，H₂為10mol，CH₃OH為5mol，氣體的物質(zhì)的量為20mol；由于A、B溫度相同，化學平衡常數(shù)相同，設A點氣體體積為V，則有$\frac{\frac{8}{4}}{\frac{2}{4}×（\frac{4}{4}）{\;}^{2}}$=$\frac{\frac{5}{V}}{\frac{5}{V}×（\frac{10}{V}）^{2}}$，V=20L，故答案為：20；
（3）A、CO的含量保持不變，各組分的物質(zhì)的量，總物質(zhì)的量不變，達到化學平衡狀態(tài)，故A正確；
B、容器中CH₃OH濃度與CO濃度相等，是一個比較特殊的情況，此時可能達到平衡狀態(tài)，也可能未達到平衡狀態(tài)，故B錯誤；
C、2V_正（CH₃OH）=V_正（H₂），都是指正反應方向，不能判斷達到化學平衡狀態(tài)，故C錯誤；
D、M_平均=$\frac{m{\;}_{總}}{n{\;}_{總}}$，氣體總質(zhì)量不變，反應前后計量數(shù)不同，即反應前后氣體n_總不同，所以當M_平均不變時，達到了化學平衡狀態(tài)，故D正確；
故選：AD；
（4）將CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1與CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1，相加可得到CO₂和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1，故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5 kJ•mol^-1；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、化學平衡常數(shù)的應用、電解池原理分析和電極反應書寫方法，化學平衡狀態(tài)的特征及判斷、化學平衡圖象等知識、題目難度較大，注意認真分析．