Question

4．目前工业上可利用CO或CO₂来生产燃料甲醇，某研究小组对下列有关甲醇制取的三条化学反应原理进行探究．已知在不同温度下的化学反应．平衡常数（K₁、K₂、K₃）如表所示：

化学反应	焓变	平衡常数	温度/℃
			500	700	800
①2H2（g）+CO（g）?CH3OH（g）	△H1	K1	2.5	0.34	0.15
②CO2（g）+H2（g）?CO（g）+H2（g）	△H2	K2	1.0	1.70	2.52
③CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2（g）	△H3	K3

请回答下列问题：
（1）反应②是吸热（填“吸热”或“放热”）反应．
（2）据反应①与②可推导出K₁、K₂与K₃之间的关系，则K₃=K₁×K₂（用K₁、K₂表示）．
（3）要使反应③在一定条件下建立的平衡逆向移动，可采取的措施有BC（填字母序号）．
A．缩小反应容器的容积      B．扩大反应容器的容积
C．升高温度                D．使用合适的催化剂
E．从平衡体系中及时分离出CH₃OH
（4）500℃时，测得反应③在某时刻，H₂（g）、CO₂（g）、CH₃OH（g）、H₂O（g）的浓度（mol•L^-1）分别为0.8、0.1、0.3、0.15，则此时v正＞v逆（填“＞”、“=”或“＜”）．
（5）甲醇是重要的基础化工原料，又是一种新型的燃料，最近有人制造了一种燃料电池，一个电极通入空气，另一个电极加入甲醇，电池的电解质是掺杂了Y₂O₃的ZrO₂晶体，它们在高温下能传导O^2-离子，该电池的正极反应式为O₂+4e^-=2O^2-．电池工作时，固体电解质里的O^2-向负极移动．
（6）300℃时，在一定的压强下，5molCO与足量的H₂在催化剂的作用下恰好完全反应变化的热量为454kJ．在该温度时，在容积相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒容，测得反应达到平衡时的有关数据如表：

容器		甲	乙	丙
反应物投入量		1molCO 2mol H2	1mol CH3OH	2mol CH3OH
平衡时数据	CH3OH的浓度（mol/L）	C1	C2	C3
	反应体系的能量变化	aKJ	bKJ	cKJ
	体系压强（Pa）	P1	P2	P3
	反应物转化率	a1	a2	a3

下列说法正确的是D．
A．2c₁＞c₃    B．a+b＜90.8   C．2p₂＜p₃ D．α₁+α₃＜1．

Answer 1

分析 （1）反应②平衡常数随温度升高增大，说明升高温度平衡正向进行，正反应是吸热反应；
（2）反应①+②可得反应③，则平衡常数K₃=K₁×K₂；
（3）A．缩小反应容器的容积，压强增大，平衡向气体体积减小的方向移动；
B．扩大反应容器的容积，压强减小，平衡向气体增大的方向移动；
C．升高温度，平衡向吸热反应方向移动，根据K₃=K₁×K₂判断温度对平衡移动影响；
D．使用合适的催化剂，不影响平衡移动；
E．从平衡体系中及时分离出CH₃OH，平衡正向移动；
（4）500℃时K₃=K₁×K₂=2.5，再计算此时浓度商Qc，若Qc=K，处于平衡状态，若Qc＜K，反应向正反应进行，若Qc＞K，反应向逆反应进行，进而判断v（正）、v（逆）相对大小；
（5）原电池正极发生还原反应，氧气在正极获得电子生成O^2-，原电池工作时，电解质溶液中阴离子向负极移动；
（6）A．甲、丙相比较，把甲等效为开始加入1molCH₃OH，丙中甲醇的物质的量为甲的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动；
B．由题目可知生成1molCH₃OH的能量变化为$\frac{454kJ}{5}$=90.8kJ，甲、乙平衡状态相同，平衡时相同物质的物质的量相等，令平衡时甲醇为nmol，计算反应热数值；
C．比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动；
D．甲、乙处于相同的平衡状态，则α₁+α₂=1，由C的分析可知α₂＞α₃．

解答 解：（1）反应②平衡常数随温度升高增大，说明升高温度平衡正向进行，正反应是吸热反应，
故答案为：吸热；
（2）反应①+②可得反应③，则平衡常数K₃=K₁×K₂，
故答案为：K₁×K₂；
（3）A．正反应为气体体积减小的反应，缩小反应容器的容积，压强增大，平衡向正向移动，故A错误；
B．正反应为气体体积减小的反应，扩大反应容器的容积，压强减小，平衡逆向移动，故B正确；
C．由于K₃=K₁×K₂，由表中数据可知，升高温度平衡常数减小，平衡逆向移动，故C正确；
D．使用合适的催化剂，可以加快反应速率，但不影响平衡移动，故D错误；
E．从平衡体系中及时分离出CH₃OH，生成物浓度减小，平衡正向移动，故E错误，
故选：BC；
（4）500℃时K₃=K₁×K₂=2.5，浓度商Qc=$\frac{0.3×0.15}{0.1×0．{8}^{3}}$=0.88＜K=2.5，反应向正反应进行，故v（正）＞v（逆），
故答案为：＞；
（5）原电池正极发生还原反应，氧气在正极获得电子生成O^2-，正极电极反应式为：O₂+4e^-=2O^2-，原电池工作时，电解质溶液中阴离子向负极移动，
故答案为：O₂+4e^-=2O^2-；负；
（6）A．甲、丙相比较，把甲等效为开始加入1molCH₃OH，丙中甲醇的物质的量为甲的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动，故2c₁＜c₃，故A错误；
B．由题目可知生成1molCH₃OH的能量变化为$\frac{454kJ}{5}$=90.8kJ，甲、乙平衡状态相同，平衡时相同物质的物质的量相等，令平衡时甲醇为nmol，对于甲容器，a=90.8n，对应乙容器b=90.8（1-n），故a+b=90.8，故B错误；
C．比较乙、丙可知，丙中甲醇的物质的量为乙的2倍，压强增大，对于反应CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移动，故2p₂＞p₃，故C错误；
D．甲、乙处于相同的平衡状态，则α₁+α₂=1，由C的分析可知α₂＞α₃，所以a₁+a₃＜1，故D正确，
故答案为：D．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡计算与影响因素、平衡常数的计算与运用以及等效平衡问题、原电池等，（6）题为易错点、难点，注意理解等效平衡问题．