Question

工业上用CH₄和H₂O为原料通过下列反应在一定条件下制备新型燃料甲醇，反应如下：
①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
请按要求回答下列问题：
（1）将0.20molCH₄和0.30molH₂O（g）通入容积为2L的密闭容器中，在一定条件下发生反应①，达到平衡时CH₄的转化率与温度、压强的关系如图1．当温度不变缩小体积时此反应的逆反应速率（填“增大”、“减小”或“不变”）

 

；△H₁

 

0，p_l

 

p₂（均填“＜”、“=”或“＞”）；p_l、100°C时平衡常数的值K=

 

．
（2）为了探究反应②合成甲醇适宜的温度和压强，某同学设计了以下三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中，请在空格中填入剩余的实验条件数据．

实验编号	T/℃	n（CO）/n（H2）	p/MPa
Ⅰ	150	1 3	0.1
Ⅱ			5
Ⅲ	300

若在300°C时其他条件不变，将该反应容器容积压缩到原来的l/2，重新平衡时CH₃OH的物质的量的变化是

 

，K的变化是

 

（均填“增大”，“减小”或“不变”）．
（3）已知在常温常压下：2CH₃OH（I）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
H₂O（g）=H₂O（I）△H=-44.0kJ/mol，请计算32g新型燃料甲醇完全燃烧生成液态水放出热量为

 

kJ．
（4）新型燃料甲醇还可以用做燃烧电池，其反应原理如图2所示，电池工作时电子移动方向是（极板用M、N表示）

 

，负极电极反应式为

 

．若以该燃料电池作为电源，用石墨作电极电解500mL饱和食盐水，当两极共收集到1.12L（标准状况下、不考虑气体的溶解及反应）时，常温下所得溶液的pH=

 

（假设反应前后溶液体积不变）．

Answer 1

考点：转化率随温度、压强的变化曲线,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素

专题：化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）根据压强对反应速率的影响，增大压强，正逆反应速率都增大；由图可知：升高温度时，CH₄的转化率增大，说明平衡向正方向移动，说明正方向是吸热的；而增大压强时，平衡向逆方向移动，转化率减小，从图中可看出：温度相同时，压强为P₂的CH₄的转化率小；根据转化率为50%，利用三段式求出各物质的平衡浓度，再带入平衡常数表达式计算；
（2）“控制变量法”探究外界条件对化学平衡的影响，探究的前提只能是改变一个条件，而其它条件不变，据此解答；其他条件不变，压缩体积即增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，对于反应②即向正反应移动，甲醇的物质的量增加；温度不变，平衡常数不变；
（3）利用盖斯定律构成目标热化学方程式，根据甲醇的质量求出其物质的量，再利用热化学方程式计算放出热量；
（4）燃料电池正极通入的是氧气，负极通入的是燃料，原电池装置中电子从负极流向正极；燃料电池负极发生的是燃料得电子的还原反应，生成CO₂和水，CO₂与OH^-结合成CO₃^2-，从而写出负极的电极反应；收集到1.12L气体即0.05mol，结合电解方程式：2Cl^-+2H₂O=Cl₂↑+H₂↑+2OH^-，求出C（OH^-），最终求出溶液的PH．

解答： 解：（1）温度不变，缩小体积即增大压强，根据压强对反应速率的影响，增大压强，正逆反应速率都增大；由图1可知：升高温度时，CH₄的转化率增大，说明平衡向正方向移动，而升高温度，平衡移动的方向是吸热方向，所以△H₁＞0；对于反应①，增大压强时，平衡向逆方向移动，CH₄的转化率减小，从图中可看出：温度相同时，压强为P₂的CH₄的转化率小，说明P₁＜P₂；由图1可知，由100℃平衡CH₄的转化率为50%，则转化的CH₄为0.2mol×50%=0.1mol，甲烷的浓度变化量为

0.1mol

2L

=0.05mol/L，则：
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
开始浓度（mol/L）：0.1     0.15       0       0
变化浓度（mol/L）：0.05    0.05      0.05    0.15
平衡浓度（mol/L）：0.05    0.1       0.05    0.15
所以，100℃时平衡常数k

0.153×0.05

0.05×0.1

=3.375×10^-2．
故答案为：
增大；＞；＜；3.375×10^-2 ；
（2）通过“控制变量法”探究外界条件对化学平衡的影响，探究的前提只能是改变一个条件，而其它条件不变，由此可得：Ⅱ中温度为150℃，n （CO）/n（H₂）为

1

3

，Ⅲ中n （CO）/n（H₂）为

1

3

，压强为5（或0.1）；
其他条件不变，压缩体积即增大压强，即向正反应移动，甲醇的物质的量增加；温度不变，平衡常数也不变；
故答案为：
实验Ⅱ：150      

1

3

   
实验Ⅲ：

1

3

     5（或0.1）
增大；不变；                
（3）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
          ②H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
由盖斯定律，①+②×4得2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l），故△H=-1275.6kJ∕mol+（-44.0kJ/mol）×4=-1451.6kJ∕mol，
所以，新型燃料甲醇完全燃烧生成液态水的热化学方程式为：2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1451.6 kJ∕mol，
32g甲醇的物质的量为1mol，故放出的热量为725.8kJ．
故答案为：725.8；               
（4）根据原电池原理，电子从负极流向正极，而燃料电池正极通入的是氧气，负极通入的是燃料，故电池工作时电子移动方向是从N极经导线流向M极；燃料电池负极发生的是失电子的氧化反应，生成CO₂和水，CO₂与OH^-结合成
CO₃^2-，所以负极的电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
电解饱和食盐水的电解方程式为：2NaCl+2H₂O=Cl₂↑+H₂↑+2NaOH，标况下1.12L气体的物质的量为0.05mol，所以生成的Cl₂和H₂的物质的量均为0.025mol，则n（OH^-）=0.025mol×2=0.05mol，C（OH^-）=

0.05mol

0.5L

=0.1mol/L，所以，c（H⁺）=10^-13mol/L，pH=13．            
故答案为：从N极经导线流向M极；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；13．

点评：本题主要考查化学化学平衡的影响因素、化学平衡常数及其计算等，难度中等，注意基础知识理解掌握，注意掌握三段式解题法．