Question

甲醇是一种新型燃料，甲醇燃料电池即将从实验室走向工业化生产．工业上一般以CO和H₂为原料合成甲醇，该反应的热化学方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1
（1）一定温度下，将2mol CO和一定量H₂充入一恒压密闭容器中，下列示意图正确且能说明反应达到平衡状态的是

 

．

若在相同温度下，上述反应改在体积为2L的恒容密闭容器中进行，平衡常数

 

（填“增大”“不变”或“减小”）；反应10s后CO的物质的量为l．2mol，则0～10s的平均反应速率v（H₂）=

 

．

（2）在容积为2L的恒容容器中，分别研究在230℃、250℃和270℃三种温度下合成甲醇的规律．如图1是上述三种温度下不同的H₂和CO的起始组成比（起始时CO的物质的量均为2mol）与CO平衡转化率的关系．
请回答：
①在上述三种温度中，曲线X对应的是

 

．
②利用图1中a点对应的数据，计算出曲线Z在对应温度下CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K=

 

．
（3）已知：CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-283kJ?mol^-1
H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ?mol^-1
则表示1mol气态甲醇完全燃烧生成CO₂和水蒸气时的热化学方程式为

 

；
（4）乙醇燃料电池具有很高的实用价值．如图2所示是一种酸性燃料电池酒精检测仪，具有自动吹气流量侦测与控制的功能，非常适合进行现场酒精检测．则该电池的负极反应式为

 

．

Answer 1

分析：（1）根据CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）反应达到平衡状态，正逆反应速率相等，各组分的浓度不再变化进行判断，注意该反应的反应热是定值，不能作为判断平衡状态的依据；平衡常数受温度的影响，温度不变平衡常数不变；根据一氧化碳的物质的量计算出消耗的氢气的物质的量，再计算出0～10s的平均反应速率v（H₂）；
（2）①根据反应为放热反应，温度升高，平衡向着逆向移动，一氧化碳的转化率判断；
②根据a点各组分的浓度及化学平衡常数表达式进行计算；
（3）根据盖斯定律结合题中热化学方程式写成1mol气态甲醇完全燃烧生成CO₂和水蒸气时的热化学方程式；
（4）根据图示得出酸性燃料电池的反应物和生成物，再根据原电池原理写出该电池的负极反应式．

解答：解：（1）a、由于恒压、恒温密闭容器中，容器的容积随着气体的物质的量变化而变化，反应两边都是气体，气体的质量不变，所以密度不变，说明各组分的物质的量不再变化，正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故a正确；
b、该反应的反应热是定值，不能作为判断是否达到平衡状态的依据，故b错误；
c、正反应速率不变，不能判断正逆反应速率是否相等，无法判断是否达到了平衡状态，故c错误；
d、CO的转化率不变，表明一氧化碳的生成速率和消耗速率相等，达到了平衡状态，故d正确；
化学平衡常数与温度有关，温度不变，化学下平衡常数不会变化；
反应10s后CO的物质的量为l．2mol，消耗的一氧化碳的物质的量为：2mol-1.2mol=0.8mol，根据反应计量数关系，消耗的氢气的物质的量为：1.6mol，
0～10s的平均反应速率v（H₂）=

1.6mol 2L

10s

=0.08mol/（L?s），
故答案为：ad；不变；0.08mol/（L?s）；
（2）①反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1，正反应为吸热反应，升高温度，化学平衡向着逆向移动，一氧化碳的转化率会减小，曲线X中一氧化碳的转化率最高，说明温度是最低的，即温度为230℃，
故答案为：230℃；
②利用图1中a点时，n（H₂）/n（CO）=1.5，一氧化碳的转化率为50%，加入的一氧化碳的物质的量为2mol，所以氢气的物质的量为3mol，
反应消耗了一氧化碳的物质的量为：2mol×50%=1mol，分解反应方程式可知，同时会消耗2mol氢气、生成1mol甲醇，
达到平衡时各组分的浓度分别为：c（CO）=

2mol-1mol

2L

=0.5mol/L，c（H₂）=

3mol-2mol

2L

=0.5mol/L，c（CH₃OH）=

1mol

2L

=0.5mol/L，
曲线Z在对应温度下CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）的平衡常数K=

0.5

0.5×0．52

=4，
故答案为：4；
（3）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）；△H₂=-283kJ?mol^-1，
③H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ?mol^-1，
根据盖斯定律，将②-①+③×2可得：CH₃OH（g）+

3

2

O₂=CO₂（g）+H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1，
故答案为：CH₃OH（g）+

3

2

O₂=CO₂（g）+H₂O（g）△H=-651kJ?mol^-1；
（4）根据图2可知，该原电池的燃料为乙醇和氧气，生成物乙酸和水，电解质为酸性溶液，原电池负极失去电子发生了氧化反应，所以负极反应为乙醇失去电子生成乙酸，电极反应为：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺，
故答案为：CH₃CH₂OH+H₂O-4e^-=CH₃COOH+4H⁺．

点评：本题考查了化学平衡状态的判断、盖斯定律进行反应热的计算、化学电源燃料电池等知识，题目难度中等，涉及的知识点较多，充分考查了学生的分析、理解能力和灵活应用学生知识的能力．