Question

【題目】甲醇既是重要的化工原料，又是電動(dòng)公交車的清潔能源，利用水煤氣在一定條件下合成甲醇，發(fā)生的反應(yīng)為CO(g)+2H2(g)CH3OH(l) ΔH=？

（1）已知CO、H2、CH3OH的燃燒熱分別為283.0kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、726.5kJ·mol-1，則ΔH=__。

（2）在一容積為2L的恒容密閉容器中加入0.2molCO和0.4molH2，發(fā)生如下反應(yīng)：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，實(shí)驗(yàn)測得T1℃和T2℃下，甲醇的物質(zhì)的量隨時(shí)間的變化如下表所示。

時(shí)間 溫度/℃	10min	20min	30min	40min	50min	60min
T1	0.080	0.120	0.150	0.168	0.180	0.180
T2	0.120	0.150	0.156	0.160	0.160	0.160

①由上述數(shù)據(jù)可以判斷：T1__T2(填“＞”“＜”或“=”)。

②T1℃時(shí)，0～20minH2的平均反應(yīng)速率v(H2)=__。

③該反應(yīng)在T1℃達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，以下措施一定可行的是__(填字母)。

A.改用高效催化劑

B.升高溫度

C.縮小容器容積

D.分離出甲醇

E.增加CO的濃度

（3）若保持T2℃不變，起始時(shí)加入CO、H2、CH3OH的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol，達(dá)到平衡時(shí)，仍與原平衡等效，則a、b、c應(yīng)滿足的條件：__。

（4）當(dāng)反應(yīng)在T1℃進(jìn)行20min時(shí)，迅速將0.02molCO、0.04molH2、0.18molCH3OH同時(shí)投入體系中，同時(shí)將反應(yīng)體積擴(kuò)大為原來的2倍，反應(yīng)在40min時(shí)達(dá)到平衡，請?jiān)趫D中畫出20～40min內(nèi)容器中H2濃度的變化趨勢曲線___。

（5）在以CH3OH(l)為燃料的燃料電池中，電解質(zhì)溶液為酸性，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為__；理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗2mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為1162.4kJ，則該燃料電池的理論效率為__(燃料電池的理論效率是指電池所產(chǎn)生的最大電能與燃料電池反應(yīng)所能釋放的全部能量之比)。

Answer 1

【答案】-128.1kJ·mol-1 ＜ 0.006mol·L-1·min-1 CE a＋c=0.2，b＋2c=0.4 CH3OH－6e-＋H2O=CO2↑＋6H+ 80%

【解析】

(1)根據(jù)已知的燃燒熱書寫熱化學(xué)方程式，推導(dǎo)所求反應(yīng)，再根據(jù)蓋斯定律計(jì)算所求反應(yīng)的焓變；

(2)①反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高不利于反應(yīng)正向進(jìn)行；

②根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算CH3OH的生成速率，再由化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算H2的消耗速率；

③該反應(yīng)T1℃達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和甲醇的生成量，從濃度，壓強(qiáng)，溫度角度逐項(xiàng)分析；

(3)與原平衡等效，即將反應(yīng)物一邊倒時(shí)，與原反應(yīng)物一致；

(4)由“一邊倒”計(jì)算可知通入0.02 mol CO、0.04 mol H2、0.18 mol CH3OH與通入0.2 mol CO、0.4 mol H2完全等效，即達(dá)新平衡時(shí)H2的濃度與原平衡相同，計(jì)算出圖象的起點(diǎn)和平衡點(diǎn)的量，再作圖；

(5)原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為酸性，CH3OH轉(zhuǎn)化為CO2和H+，據(jù)此寫出負(fù)極的電極反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)的熱量變化計(jì)算。

(1)CO、H2、CH3OH的燃燒熱分別為283.0kJ·mol-1、285.8kJ·mol-1、726.5kJ·mol-1，則①CO(g)+O2(g)＝CO2(g)△H1=-283.0kJ/mol，②H2(g)+O2(g)＝H2O(l)△H2=-285.8kJ/mol，③CH3OH(l)+O2(g)＝CO2(g)+2H2O(l)△H3=-726.5kJ/mol，CO(g)+2H2(g)CH3OH(l)可由①+2×②-③得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)椤?/span>H=△H1+2△H2-△H3=-128.1kJ/mol，故答案為：-128.1kJ/mol；

(2)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(l) △H=-128.1kJ/mol，為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，平衡時(shí)甲醇含量降低，所以溫度T1℃＜T2℃，故答案為：＜；

②T1℃時(shí)，0～20min內(nèi)，CH3OH的生成速率為v(CH3OH)==0.003mol/(Lmin)，由化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，則H2的消耗速率為v(H2)=2v(CH3OH)=0.006mol/(Lmin)，故答案為：0.006mol/(Lmin)；

③A．改用高效催化劑，催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，但不改變化學(xué)平衡，故A不選；B．升高溫度，有利于加快化學(xué)反應(yīng)速率，但不利于反應(yīng)正向進(jìn)行，不利于提高CH3OH產(chǎn)量，故B不選；C．縮小容器體積，相當(dāng)于加壓，有利于加快化學(xué)反應(yīng)速率，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，即有利于提高CH3OH產(chǎn)量，故C選；D．分離出甲醇，減小逆反應(yīng)速率，瞬時(shí)不改變正反應(yīng)速率，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，故D不選；E．增加CO的濃度，增大正反應(yīng)速率，瞬時(shí)逆反應(yīng)速率不變，但隨之不斷增大達(dá)到新平衡，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，即有利于提高CH3OH產(chǎn)量，故E選；故答案為：CE；

(3)T1溫度下，平衡時(shí)n(CH3OH)=0.18mol，則n(CO)=0.02mol，n(H2)=0.04mol，保持T1℃不變，起始時(shí)加入CO、H2、CH3OH的物質(zhì)的量分別為amol、bmol、cmol，達(dá)到平衡時(shí)，仍與原平衡等效，將反應(yīng)物一邊倒，等效為起始時(shí)n(CO)=a+c，n(H2)=b+2c，則a+c=0.2，b+2c=0.4，故答案為：a+c=0.2，b+2c=0.4；

(4)當(dāng)反應(yīng)在T1℃進(jìn)行20min時(shí)，迅速將0.02molCO、0.04molH2、0.18molCH3OH同時(shí)投入體系中，同時(shí)將反應(yīng)體積擴(kuò)大為原來的2倍，由“一邊倒”計(jì)算可知通入0.02 mol CO、0.04 mol H2、0.18 mol CH3OH與通入0.2 mol CO、0.4 mol H2完全等效，即達(dá)新平衡時(shí)H2的濃度與原平衡相同，繼續(xù)充入0.4 mol H2的瞬間H2的濃度變?yōu)?/span>＝0.05 mol·L－1，平衡時(shí)c(H2)＝＝0.02 mol·L－1，變化趨勢圖為：，故答案為：；

(5)原電池負(fù)極發(fā)生的是燃料(CH3OH)失去電子的氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為酸性，CH3OH轉(zhuǎn)化為CO2和H+，則負(fù)極的電極反應(yīng)為：CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+，理想狀態(tài)下，該燃料電池消耗2mol甲醇所能產(chǎn)生的最大電能為1162.4kJ，2mol甲醇完全燃燒釋放的熱量為2×726.5kJ=1453kJ，所以該燃料電池的理論效率為×100%=80%，故答案為：CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+；80%。