Question

15．開發(fā)、使用清潔能源發(fā)展“低碳經(jīng)濟(jì)”，正成為科學(xué)家研究的主要課題．氫氣、甲醇是優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，可制作燃料電池．

（1）生產(chǎn)甲醇的原料CO和H₂來(lái)源于：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
①一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖a．則，P_l＜P₂；A、B、C三點(diǎn)處對(duì)應(yīng)平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小順序?yàn)镵_C＞K_B＞K_A．（填“＜”、“＞”“=”）
②100℃時(shí)，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的反應(yīng)室，反應(yīng)達(dá)平衡的標(biāo)志是：cd．
a．容器內(nèi)氣體密度恒定   b．單位時(shí)間內(nèi)消耗0.1mol CH₄同時(shí)生成0.3mol H₂
c．容器的壓強(qiáng)恒定       d．3v正（CH₄）=v逆（H₂）
如果達(dá)到平衡時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%，則100℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.25×10^-4（mol/L）²
（2）某實(shí)驗(yàn)小組利用CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）設(shè)計(jì)成如圖b所示的電池裝置，負(fù)極的電極反應(yīng)式為CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O．用該原電池做電源，常溫下，用惰性電極電解200mL飽和食鹽水（足量），消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO 224mL，則溶液的pH=13．（不考慮溶液體積的變化）
（3）已知2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1（a＞0），在一個(gè)容積固定的容器中加入2mol X₂和1mol Y₂在500℃時(shí)充分反應(yīng)達(dá)平衡后Z的濃度為W mol•L^-1，放出熱量b kJ．
若原來(lái)容器中只加入2mol Z，500℃充分反應(yīng)達(dá)平衡后，吸收熱量c kJ，則Z濃度=Wmol•L^-1（填“＞”、“＜”或“=”），a、b、c之間滿足關(guān)系a=b+c（用代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 （1）①?gòu)腃O轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化趨勢(shì)分析第一問(wèn)；在200℃時(shí)，看不同壓強(qiáng)下CO的轉(zhuǎn)化率大小，結(jié)合化學(xué)方程式中反應(yīng)前后氣體的體積變化解答，A、B、C三點(diǎn)處對(duì)應(yīng)平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小和溫度有關(guān)；
②化學(xué)平衡的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各組分含量保持不變，據(jù)此分析選項(xiàng)；利用三段式法計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)；
（2）電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極上是燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，串聯(lián)電路中，各個(gè)裝置轉(zhuǎn)移電子是相等的，據(jù)電子守恒進(jìn)行計(jì)算；
（3）恒溫恒容下，2molZ完全轉(zhuǎn)化到左邊，可得2molX₂和1molY₂，故與原平衡為等效平衡，平衡時(shí)Z的濃度相同；同一可逆反應(yīng)，相同溫度下，正、逆反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值相等，但符號(hào)相反，令平衡時(shí)Z的物質(zhì)的量為nmol，根據(jù)反應(yīng)熱計(jì)算兩個(gè)過(guò)程的熱量數(shù)值，據(jù)此判斷．

解答 解：（1）①根據(jù)一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系圖知道，溫度不變，則增大壓強(qiáng)，平衡CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，所以P_l＜P₂，壓強(qiáng)不變升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率會(huì)增大，平衡正向進(jìn)行，所以反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度越高，K越大，A、B、C三點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的溫度是逐漸升高的，所以平衡常數(shù)（K_A、K_B、K_C）的大小順序?yàn)镵_C＞K_B＞K_A，
故答案為：＜； K_C＞K_B＞K_A；
②a．容器內(nèi)氣體密度=$\frac{m}{V}$，質(zhì)量是守恒的，V是不變的，所以密度始終不變，當(dāng)密度不變時(shí)，不一定平衡，故錯(cuò)誤；
b．單位時(shí)間內(nèi)消耗0.1mol CH₄同時(shí)生成0.3molH₂，只能說(shuō)明正反應(yīng)速率，不能證明正逆反應(yīng)速率相等，不一定平衡，故錯(cuò)誤；
c．反應(yīng)是前后系數(shù)和變化的反應(yīng)，當(dāng)容器的壓強(qiáng)恒定，則達(dá)到了平衡，故正確；
d．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），能體現(xiàn)v（正）=v（逆），故正確．
故選cd．
       CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.01     0.02        0      0
變化濃度：0.005    0.005      0.005    0.015
平衡濃度：0.005    0.015      0.005    0.015
所以平衡常數(shù)K=$\frac{0.015{\;}^{3}×0.005}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4（mol/L）²，
故答案為：cd；2.25×10^-4（mol/L）²；
（2）在CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）設(shè)計(jì)成的燃料電池裝置中，CO發(fā)生氧化反應(yīng)，在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O，用該原電池做電源，常溫下，用惰性電極電解200mL飽和食鹽水（足量），當(dāng)消耗的標(biāo)準(zhǔn)狀況下的CO224mL極0.01mol時(shí)，轉(zhuǎn)移電子是0.02mol，根據(jù)電解氯化鈉的反應(yīng)方程式：2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，當(dāng)轉(zhuǎn)移電子是0.02mol時(shí)，生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量是0.02mol，所以氫氧化鈉濃度是$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，即pH=13，
故答案為：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O；13；
（3）恒溫恒容下，2molZ完全轉(zhuǎn)化到左邊，可得2molX₂和1molY₂，故與原平衡為等效平衡，平衡時(shí)Z的濃度相同，故c（Z）=Wmol•L^-1，
同一可逆反應(yīng)，相同溫度下，正、逆反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)值相等，但符號(hào)相反，令平衡時(shí)Z的物質(zhì)的量為nmol，
對(duì)于反應(yīng)2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1，則b=n×$\frac{a}{2}$，對(duì)于反應(yīng)2Z（g）?2X₂（g）+Y₂（g）△H=akJ•mol^-1，Z分解的物質(zhì)的量為（2-n）mol，故c=$\frac{2-n}{2}$×a=1-n×$\frac{a}{2}$，故a=b+c，
故答案為：=；a=b+c．

點(diǎn)評(píng) 本題比較綜合，難度中等，涉及熱化學(xué)方程式、化學(xué)平衡圖象及影響因素、平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)判斷、化學(xué)平衡的有關(guān)計(jì)算、原電池等，注意知識(shí)的歸納和整理是關(guān)鍵，題目難度中等．