Question

15．甲醇合成反应为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）

（1）合成甲醇的反应过程中物质能量变化如图1所示．写出合成甲醇的热化学方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol．
（2）实验室在lL密闭容器中进行模拟合成实验．将1molCO和2molH₂通入容器中，分别恒温在300℃和500℃反应，每隔一定时间测得容器中甲醇的浓度如下：（表中数据单位：mol•L^-l）

温度\时间	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

①300℃时反应开始10分钟内，H₂的平均反应速率为0.08mol/（L•min）；
②500℃时平衡常数K的数值为25；
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，在其他条件不变的情况下，对平衡体系产生的影响是cd（选填编号）．
a．c（H₂）减小     
b．正反应速率加快，逆反应速率减慢
c．CH₃OH的物质的量增加    
d．重新平衡时$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小
（3）如图2是甲醇燃料电池工作的示意图，其中A、B、D均为石墨电极，C为铜电极．工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同．
①甲中负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为2.24l；
③反应结束后，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，需要300mL5.0mol•L^-lNaOH 溶液．

Answer 1

分析 （1）由反应过程中物质能量变化图可知，1molCO（g）与2molH₂（g）完全反应生成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ，注明物质的状态书写热化学反应方程式；
（2）①根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算v（CH₃OH），再利用速率之比等于其化学计量数之比计算v（H₂）；
②由表中数据可知，500℃平衡时甲醇为0.8mol/L，利用三段式计算平衡时各组分浓度，代入平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算；
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大，平衡正向移动，正、逆反应速率均增大，但正反应速率增大更多，据此结合选项分析；
（3）①负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水；
②乙为电解池，A为阳极、B为阴极，A电极生成气体为氧气，B电极先析出Cu，而后生成气体为氢气，根据电子转移守恒计算生成气体的物质的量，进而计算氧气的体积；
③丙为电解池，C为阳极、D为阴极，C用Cu作电极材料，为活性电极，阳极上Cu放电得到铜离子，阴极发生还原反应，溶液中氯离子物质的量不变，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，此时溶液中溶质为NaCl，根据氯离子守恒计算n（NaCl），根据钠离子守恒计算n（NaOH），进而计算NaOH溶液体积．

解答 解：（1）由反应过程中物质能量变化图可知，1molCO（g）与2molH₂（g）完全反应生成1molCH₃OH（g）放出热量为（b-a）kJ，则热化学反应方程式为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol，
故答案为：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol；
（2）①300℃时反应开始10分钟内，甲醇浓度变化量为0.4mol/L，其v（CH₃OH）=$\frac{0.4mol/L}{10min}$=0.04mol/（L•min），速率之比等于化学计量数之比，则v（H₂）=2v（CH₃OH）=0.04mol/（L•min）×2=0.08mol/（L•min），
故答案为：0.08mol/（L•min）；
②由表中数据可知，500℃平衡时甲醇为0.8mol/L，则：
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol/L）：1       2         0
转化（mol/L）：0.8     1.6       0.8
平衡（mol/L）：0.2     0.4       0.8
故500℃平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×0．{4}^{2}}$=25，故答案为：25；
③300℃时，将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大，平衡正向移动，
a．体积缩小，c（H₂）增大，平衡正向移动不能消除氢气浓度增大，故a错误；
b．压强增大，正反应速率加快，逆反应速率也加快，平衡正向移动，正反应速率增大更多，故b错误；
c．平衡正向移动，则CH₃OH的物质的量增加，故c正确；
d．平衡正向移动，氢气的物质的量减少，甲醇的物质的量增加，则重新平衡时时$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小，故d正确，
故答案为：cd；
（3）①负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②乙为电解池，A为阳极、B为阴极，A电极生成气体为氧气，B电极先析出Cu，而后生成气体为氢气，析出Cu的物质的量为0.1L×1mol/L=0.1mol，设氧气、氢气的物质的量均为n mol，根据电子转移守恒：4n=2n+0.1×2，解得n=0.1，故A极析出的氧气在标准状况下的体积为0.1mol×22.4L/mol=2.24L，
故答案为：2.24L；
③丙为电解池，C为阳极、D为阴极，C用Cu作电极材料，为活性电极，阳极上Cu放电得到铜离子，阴极发生还原反应，溶液中氯离子物质的量不变，要使丙装置中金属阳离子恰好完全沉淀，此时溶液中溶质为NaCl，根据氯离子守恒n（NaCl）=3n（FeCl₃）=3×0.1mol×5mol/L=1.5mol，根据钠离子守恒n（NaOH）=n（NaCl）=1.5mol，故需要NaOH溶液体积为$\frac{1.5mol}{5mol/L}$=0.3L=300mL，
故答案为：300．

点评 本题比较综合，涉及热化学方程式书写、反应速率计算、平衡常数计算、化学平衡移动、电极反应式书写、电化学有关计算等，需要学生具备扎实的基础，（3）中注意利用守恒法计算，避免计算过程的繁琐，较好的考查学生分析计算能力，难度中等．