Question

20．以CO、H₂為原料合成甲醇的反應(yīng)為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H．在體積均為2L的三個恒容密閉容器I、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1mol CO和2mol H₂，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變．圖1為三個容器中的反應(yīng)均進(jìn)行到5min時H₂的體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中有一個容器反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)．CO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖2所示．


（1）0～5min時間內(nèi)容器Ⅱ中用CH₃OH表示的化學(xué)反應(yīng)速率為0.0875mol/（L•min）．
（2）三個容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器II，此容器中反應(yīng)達(dá)平衡時，放出熱量20.5kJ，則△H=-23.4kJ•mol^-1．
（3）當(dāng)三個容器中的反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)時，CO的轉(zhuǎn)化率最低的是容器Ⅲ；平衡常數(shù)最大的是容器Ⅰ．
（4）工業(yè)實(shí)際合成CH₃OH生產(chǎn)中，采用圖2中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡知識，同時考慮生產(chǎn)實(shí)際，說明選擇該反應(yīng)條件的理由：相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，CO的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對設(shè)備要求不高．
（5）科研人員設(shè)計了一種新型甲醇燃料電池，其電解質(zhì)是摻雜了Y₂O₃的ZrO₂晶體，它在高溫下能傳導(dǎo)O^2-．該電池工作時的負(fù)極電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O．用該電池電解飽和食鹽水（石墨電極），當(dāng)電路中通過1.929×10⁴ C的電量時，生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的體積為2.24L．（已知：一個電子的電量是1.602×10^-19C）

Answer 1

分析 （1）利用三段式求出反應(yīng)生成的甲醇的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算；
（2）達(dá)到平衡狀態(tài)時氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最�。桓鶕�(jù)反應(yīng)物反應(yīng)的量和放熱量成正比計算；
（3）該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大；
（4）根據(jù)溫度、壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響以及對設(shè)備的要求分析；
（5）燃料電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)；每通過1mol電子生成0.5mol氫氣．

解答 解：（1）設(shè)反應(yīng)生成的甲醇物質(zhì)的量為x，
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
開始（mol）：1        2         0
轉(zhuǎn)化（mol）：x        2x        x
平衡（mol）：1-x      2-2x      x
到5min時，氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.2，則$\frac{2-2x}{（1-x）+（2-2x）+x}$=0.2，則x=$\frac{7}{8}$，
則v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{\frac{7}{8}mol}{2L}}{5min}$=0.0875mol/（L•min），
故答案為：0.0875mol/（L•min）；
（2）達(dá)到平衡狀態(tài)時氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，II對應(yīng)的氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，所以II可能達(dá)到了平衡狀態(tài)．
平衡時，根據(jù)（1）計算氫氣轉(zhuǎn)化量為2x=1.75mol，放出熱量20.5kJ，則轉(zhuǎn)化2mol氫氣放出熱量為23.4kJ，則△H=-23.4kJ•mol^-1，
故答案為：II；-23.4kJ•mol^-1；
（3）由圖2可知，升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率減小，即向逆反應(yīng)移動，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)向逆方向進(jìn)行的程度越大，CO的轉(zhuǎn)化率越低，Ⅲ溫度最低．
由圖2可知，升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率減小，即向逆反應(yīng)移動，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大，K越大，已知I的溫度最低，則其K最大；
故答案為：Ⅲ；Ⅰ；
（4）相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，CO的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓，對設(shè)備要求不高，
故答案為：相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，CO的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓，對設(shè)備要求不高；
（5）負(fù)極發(fā)生的是燃料甲醇失電子的氧化反應(yīng)，負(fù)極電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O．
電路中通過的電量為$\frac{1.929×1{0}^{4}}{1.602×1{0}^{-19}×6.02×1{0}^{23}}$=0.2mol，則生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下氫氣的體積為2.24L．
故答案為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O；2.24．

點(diǎn)評 本題考查了反應(yīng)熱的計算、化學(xué)平衡計算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率與平衡常數(shù)、電化學(xué)的應(yīng)用等，注意理解掌握化學(xué)平衡的計算方法，難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和計算能力．