Question

【题目】H2是一种重要的清洁能源。

(1)2018年我国某科研团队利用透氧膜，一步即获得合成氨原料和合成液态燃料的原料。其工作原理如图所示（空气中N2与O2的物质的量之比按4：1计）。工作过程中，膜I侧所得=3，则膜I侧的电极方程式为________________________。

(2)已知: CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，H2还原CO反应合成甲醇的热化学方程式为：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH1，则ΔH1=_____________ kJ/mol，该反应自发进行的条件为_________。

A.高温 B.低温 C.任何温度条件下

(3)恒温恒压下，在容积可变的密闭容器中加入1mol CO和2.2 mol H2，发生反应 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，实验测得平衡时CO的转化率随温度、压强的变化如图所示。

P1_______P2，判断的理由是____________________________。

(4)若反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)在温度不变且体积恒定为1L的密闭容器中发生，反应过程中各物质的物质的量随时间变化见下表所示：

时间/min	0	5	10	15
H2	4		2
CO	2			1
CH3OH(g)	0	0.7

①下列各项能作为判断该反应达到平衡标志的是_____(填字母)；

A.容器内压强保持不变 B.2v正(H2)=v逆(CH3OH)

C.混合气体的相对分子质量保持不变 D.混合气体的密度保持不变

②若起始压强为P0 kPa，则在该温度下反应的平衡常数Kp=__________(kPa)-2。（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）。

③反应速率若用单位时间内分压的变化表示，则10min内H2的反应速率v(H2)= _______Pa/min。

Answer 1

【答案】12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2- -90.1 B > 正反应为气体分子数减小的反应，加压平衡右移，CO的转化率增大，由图知相同温度时P1下CO的转化率大于P2，所以P1大于P2 AC

【解析】

(1)由图可知：在膜II测CH4中的C失去电子被氧化为CO，膜I侧氧气水得到电子，据此分析解答；

(2)根据盖斯定律将两个热化学方程式叠加，可得总反应方程式；根据热化学方程式判断其ΔH、ΔS，并根据体系自由能公式ΔG=ΔH-TΔS<0反应能自发进行判断；

(3)根据压强对化学平衡的影响分析判断；

(4)①反应是在恒容的密闭容器内进行，根据该反应是气体体积减小的放热反应，若反应达到平衡，则任何一组分的物质的量、浓度及含量不变，平均相对分子质量不变，据此分析；

②根据加入各种物质的物质的量及平衡分压的含义、化学平衡常数的定义分析判断；

③根据化学反应速率的定义，用单位时间内分压的变化表示，可得H2的反应速率。

(1)由图可知：在膜II测CH4中的C失去电子被氧化为CO，膜I侧氧气、水得到电子，每1molO2反应，得到4个电子，在膜I侧发生的电极反应为：①O2+4e-=2O2-，②H2O+2e-=H2+O2-↑，假设O2为1，则N2为4，由于在空气中N2与O2的物质的量之比按4：1，反应后膜I侧所得=3，则反应后得到H2为12，即有12molH2O发生反应产生H2，所以①+12×②可得膜I的总反应式：12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2-；

(2) ①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，②CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，①+②，整理可得H2还原CO反应合成甲醇的热化学方程式为：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ/mol；根据热化学方程式可知：该反应的正反应是气体体积减小的放热反应，ΔH<0，ΔS<0，根据体系的自由能公式ΔG=ΔH-TΔS，若反应能自发进行，则ΔG<0，所以该反应自发进行的条件是低温可自发，选项B符合题意；

(3)反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反应是气体体积减小的反应，在其它条件不变时，增大压强，化学平衡正向移动，CO的平衡转化率增大，根据图示可知CO的转化率P1>P2，所以压强：P1>P2，

(4)①A.反应是在恒容的密闭容器内进行，由于该反应是气体体积减小的反应，若反应达到平衡，则容器内气体的压强保持不变，A正确；

B.在任何时刻都存在：v正(H2)=2v正(CH3OH)，若反应达到平衡v正(CH3OH)=v逆(CH3OH)，则v正(H2)=2v逆(CH3OH)，现在2v正(H2)=v逆(CH3OH)，说明反应未处于平衡状态，B错误；

C.由于该反应反应前后气体分子数不相等，若混合气体的相对分子质量保持不变，说明气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，C正确；

D.由于反应混合物都是气体，在任何状态下气体的质量不变，容器的容积不变，因此任何条件下，混合气体的密度都保持不变，故不能据此判断反应是否处于平衡状态，D错误；

故合理选项是AC；

② 2H2(g) +CO(g)CH3OH(g)

n始(mol) 4 2 0

n10(mol) 2 1 1

n平(mol)2 1 1

由于反应开始时气体的物质的量是6mol，总压强为P0，则平衡时H2占分压为，CO占分压为，CH3OH占分压为，带入平衡常数表达式Kp==(kPa)-2；

③反应开始时H2占的分压为，10分钟时占分压为，减少了，所以V(H2)== Pa/min。