Question

15．开发、使用清洁能源发展“低碳经济”，正成为科学家研究的主要课题．氢气、甲醇是优质的清洁燃料，可制作燃料电池．

（1）生产甲醇的原料CO和H₂来源于：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
①一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图a．则，P_l＜P₂；A、B、C三点处对应平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小顺序为K_C＞K_B＞K_A．（填“＜”、“＞”“=”）
②100℃时，将1mol CH₄和2mol H₂O通入容积为100L的反应室，反应达平衡的标志是：cd．
a．容器内气体密度恒定   b．单位时间内消耗0.1mol CH₄同时生成0.3mol H₂
c．容器的压强恒定       d．3v正（CH₄）=v逆（H₂）
如果达到平衡时CH₄的转化率为50%，则100℃时该反应的平衡常数K=2.25×10^-4（mol/L）²
（2）某实验小组利用CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）设计成如图b所示的电池装置，负极的电极反应式为CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O．用该原电池做电源，常温下，用惰性电极电解200mL饱和食盐水（足量），消耗的标准状况下的CO 224mL，则溶液的pH=13．（不考虑溶液体积的变化）
（3）已知2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1（a＞0），在一个容积固定的容器中加入2mol X₂和1mol Y₂在500℃时充分反应达平衡后Z的浓度为W mol•L^-1，放出热量b kJ．
若原来容器中只加入2mol Z，500℃充分反应达平衡后，吸收热量c kJ，则Z浓度=Wmol•L^-1（填“＞”、“＜”或“=”），a、b、c之间满足关系a=b+c（用代数式表示）．

Answer 1

分析 （1）①从CO转化率随温度的变化趋势分析第一问；在200℃时，看不同压强下CO的转化率大小，结合化学方程式中反应前后气体的体积变化解答，A、B、C三点处对应平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小和温度有关；
②化学平衡的标志是正逆反应速率相同，各组分含量保持不变，据此分析选项；利用三段式法计算化学平衡常数；
（2）电池的负极发生氧化反应，负极上是燃料发生氧化反应，串联电路中，各个装置转移电子是相等的，据电子守恒进行计算；
（3）恒温恒容下，2molZ完全转化到左边，可得2molX₂和1molY₂，故与原平衡为等效平衡，平衡时Z的浓度相同；同一可逆反应，相同温度下，正、逆反应的反应热数值相等，但符号相反，令平衡时Z的物质的量为nmol，根据反应热计算两个过程的热量数值，据此判断．

解答 解：（1）①根据一定条件下CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系图知道，温度不变，则增大压强，平衡CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）逆向移动，甲烷的转化率减小，所以P_l＜P₂，压强不变升高温度，甲烷的转化率会增大，平衡正向进行，所以反应是吸热反应，温度越高，K越大，A、B、C三点处对应的温度是逐渐升高的，所以平衡常数（K_A、K_B、K_C）的大小顺序为K_C＞K_B＞K_A，
故答案为：＜； K_C＞K_B＞K_A；
②a．容器内气体密度=$\frac{m}{V}$，质量是守恒的，V是不变的，所以密度始终不变，当密度不变时，不一定平衡，故错误；
b．单位时间内消耗0.1mol CH₄同时生成0.3molH₂，只能说明正反应速率，不能证明正逆反应速率相等，不一定平衡，故错误；
c．反应是前后系数和变化的反应，当容器的压强恒定，则达到了平衡，故正确；
d．3v_正（CH₄）=v_逆（H₂），能体现v（正）=v（逆），故正确．
故选cd．
       CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.01     0.02        0      0
变化浓度：0.005    0.005      0.005    0.015
平衡浓度：0.005    0.015      0.005    0.015
所以平衡常数K=$\frac{0.015{\;}^{3}×0.005}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4（mol/L）²，
故答案为：cd；2.25×10^-4（mol/L）²；
（2）在CO（g）、O₂（g）、KOH（aq）设计成的燃料电池装置中，CO发生氧化反应，在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，负极电极反应式为：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O，用该原电池做电源，常温下，用惰性电极电解200mL饱和食盐水（足量），当消耗的标准状况下的CO224mL极0.01mol时，转移电子是0.02mol，根据电解氯化钠的反应方程式：2NaCl+2H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，当转移电子是0.02mol时，生成氢氧化钠的物质的量是0.02mol，所以氢氧化钠浓度是$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，即pH=13，
故答案为：CO-2e^-+4OH^-=CO₃^2-+2H₂O；13；
（3）恒温恒容下，2molZ完全转化到左边，可得2molX₂和1molY₂，故与原平衡为等效平衡，平衡时Z的浓度相同，故c（Z）=Wmol•L^-1，
同一可逆反应，相同温度下，正、逆反应的反应热数值相等，但符号相反，令平衡时Z的物质的量为nmol，
对于反应2X₂（g）+Y₂（g）?2Z（g）△H=-akJ•mol^-1，则b=n×$\frac{a}{2}$，对于反应2Z（g）?2X₂（g）+Y₂（g）△H=akJ•mol^-1，Z分解的物质的量为（2-n）mol，故c=$\frac{2-n}{2}$×a=1-n×$\frac{a}{2}$，故a=b+c，
故答案为：=；a=b+c．

点评 本题比较综合，难度中等，涉及热化学方程式、化学平衡图象及影响因素、平衡常数、平衡状态判断、化学平衡的有关计算、原电池等，注意知识的归纳和整理是关键，题目难度中等．