Question

利用可再生能源代替石油和煤已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢，甲醇作為重要的可再生能源具有廣泛的開發(fā)和應用前景．工業(yè)上常利用反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0來合成甲醇．
（1）經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在230℃～270℃時合成最為有利．為探尋合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃時進行實驗，實驗結果如圖1.230℃的實驗結果所對應的曲線是

 

（填字母）； 從提高CO轉化率的角度等綜合分析，該溫度下工業(yè)生產(chǎn)適宜采用的合成氣組成n（H₂）：n（CO） 的比值范圍是

 

（填字母）．
A．1～1.5        B．2.5～3       C．3.5～4.5
（2）制甲醇所需要的氫氣，可通過下列反應制取：H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
△H＜0，某溫度下該反應的平衡常數(shù)K=1．回答下列問題：
①該溫度下，若起始時c（CO）=2mol?L^-1，c（H₂O）=3mol?L^-1，反應進行一段時間后，測得CO的濃度為1mol?L^-1，則此時該反應v（正）

 

v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若降低溫度，該反應的K值將

 

（填“增大”、“減小”或“不變”）．
（3）甲醇是一種化工原料，工業(yè)上合成甲醇的反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1．
若在溫度、容積相同的3個密閉容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒容，測得反應達到平衡時的有關數(shù)據(jù)如下：

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	1molCO、2molH2	1mol CH3OH	2molCO、4molH2
CH3OH的濃度（mol/L）	c1	c2	c3
反應的能量變化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ

①容器內(nèi)壓強P：P_甲、P_乙與P_丙的關系是

 

（用“＞”、“＜”或“=”表示）；
②變化的熱量數(shù)值Q中，Q₁ 與Q₂的和是

 

（填具體數(shù)值）．
（4）目前，以甲醇為原料的燃料電池已經(jīng)應用于工業(yè)生產(chǎn)．下圖是甲醇燃料電池應用的示意圖2，已知甲池的總反應式為：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O請根據(jù)圖2填寫下列空白：乙池中A電極的電極反應式為

 

，甲池中通入CH₃OH電極的電極反應式為

 

．

Answer 1

考點：轉化率隨溫度、壓強的變化曲線,化學電源新型電池,化學平衡常數(shù)的含義

專題：化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）由反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0可知，正反應為放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動；從提高CO轉化率的角度等綜合分析，該溫度下工業(yè)生產(chǎn)適宜采用的合成氣組成n（H₂）：n（CO） 的比值范圍應是CO的轉化率最大時；
（2）①根據(jù)CO的濃度計算各物質的濃度，計算出濃度冪之積與平衡常數(shù)相比較，可確定平衡移動的方向，以此可確定正逆反應速率關系；
②因正反應放熱，則降低溫度平衡向正反應方向移動；
（3）甲容器反應物投入1molCO、2molH₂與乙容器反應物投入1mol CH₃OH在保持恒溫、恒容情況下是等效平衡，平衡時CH₃OH的濃度c₁=c₂、平衡壓強相同，由于正反應轉化率和逆反應轉化率之和為100%，則Q₁+Q₂能量總變化相當于1molCO、2molH₂完全轉化成1mol CH₃OH的能量，即吸放熱Q₁+Q₂數(shù)值上就等于90.8kJ；
    丙容器反應物投入量2molCO、4molH₂，由于該反應是氣體體積減小的反應，溫度、容積相同的情況下，反應物濃度增大一倍，相當于增大壓強，反應向氣體體積減少方向移動，即正向移動，據(jù)此分析；
（4）該燃料電池的正極反應為：0₂+4e^-+4H⁺═2H₂O，負極反應為：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，以此解答該題．

解答： 解：（1）工業(yè)上用反應④低壓合成甲醇，在230℃～270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，結果如圖．合成甲醇是放熱反應，溫度越低轉化率越大，結合圖象可知，230℃的實驗結果所對應的曲線是 X，從提高CO轉化率的角度等綜合分析，該溫度下工業(yè)生產(chǎn)適宜采用的合成氣組成n（H₂）：n（CO） 的比值范圍應是CO的轉化率最大時，則合成氣組成n（H₂）：n（CO） 的比值范圍是2.5～3，如再增大比例，因此時轉化率已經(jīng)很高，而導致浪費氫氣，
故答案為：X；B；
（2）①H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
      起始：3        2       0       0
      轉化：1        1       1       1
 一段時間后：2        1       1       1
Qc=

1×1

2×1

=0.5＜1，則平衡向正反應方向移動，正反應速率大于逆反應速率，
故答案為：＞；
②因正反應放熱，則降低溫度平衡向正反應方向移動，平衡常數(shù)增大，故答案為：增大；
（3）①甲容器反應物投入1molCO.2molH₂與乙容器反應物投入1mol CH₃OH在保持恒溫、恒容情況下是等效平衡，則達到平衡時甲、乙容器壓強相等，丙容器反應物投入量2molCO、4molH₂，濃度加倍，相當于增大壓強，故答案為：P_甲=P_乙＜P_丙；
②由于正反應轉化率和逆反應轉化率之和為100%，則Q₁+Q₂能量總變化相當于1molCO、2molH₂完全轉化成1mol CH₃OH的能量，即吸放熱Q₁+Q₂數(shù)值上就等于90.8kJ；丙容器反應物投入量2molCO、4molH₂，由于該反應是氣體體積減小的反應，溫度、容積相同的情況下，反應物濃度增大一倍，相當于增大壓強，反應向氣體體積減少方向移動，即正向移動，因此，c₃＞2c₁，Q₃＞2Q₁；
故答案為：90.8；
（4）甲池中通入CH₃OH電極為原電池的負極，發(fā)生氧化反應，電極方程式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，乙池為電解池，A連接電源的負極，發(fā)生還原反應，電極方程式為Ag⁺+e^-=Ag，
故答案為：Ag⁺+e^-=Ag；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評：本題綜合考查化學平衡、電化學等知識，題目側重于等效平衡的計算，為該題的難點，也是易錯點，注意理解等效平衡問題．