Question

【題目】甲醇既是重要的化工原料，又是電動公交車的清潔能源，利用水煤氣在一定條件下合成甲醇，發生的反應為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，發生如下反應：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，實驗測得T1℃和T2℃下，甲醇的物質的量隨時間的變化如下表所示。

時間 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由上述數據可以判斷：T1__T2(填“＞”“＜”或“=”)。

②T1℃時，0～20minH2的平均反應速率v(H2)=__。

③該反應在T1℃達到平衡后，為同時提高反應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，起始時加入CO、H2、CH3OH的物質的量分別為amol、bmol、cmol，達到平衡時，仍與原平衡等效，則a、b、c應滿足的條件：__。

（4）當反應在T1℃進行20min時，迅速將0.02molCO、0.04molH2、0.18molCH3OH同時投入體系中，同時將反應體積擴大為原來的2倍，反應在40min時達到平衡，請在圖中畫出20～40min內容器中H2濃度的變化趨勢曲線___。

（5）在以CH3OH(l)為燃料的燃料電池中，電解質溶液為酸性，則負極的電極反應式為__；理想狀態下，該燃料電池消耗2mol甲醇所能產生的最大電能為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生的最大電能與燃料電池反應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)根據已知的燃燒熱書寫熱化學方程式，推導所求反應，再根據蓋斯定律計算所求反應的焓變；

(2)①反應為放熱反應，溫度升高不利于反應正向進行；

②根據表中數據計算CH3OH的生成速率，再由化學反應速率之比等于化學計量數之比計算H2的消耗速率；

③該反應T1℃達到平衡后，為同時提高反應速率和甲醇的生成量，從濃度，壓強，溫度角度逐項分析；

(3)與原平衡等效，即將反應物一邊倒時，與原反應物一致；

(4)由“一邊倒”計算可知通入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，即達新平衡時H2的濃度與原平衡相同，計算出圖象的起點和平衡點的量，再作圖；

(5)原電池負極發生氧化反應，電解質溶液為酸性，CH3OH轉化為CO2和H+，據此寫出負極的電極反應，根據反應的熱量變化計算。

(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，根據蓋斯定律，該反應的焓變為△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，溫度升高，平衡逆向移動，平衡時甲醇含量降低，所以溫度T1℃＜T2℃，故答案為：＜；

②T1℃時，0～20min內，CH3OH的生成速率為v(CH3OH)==0.003mol/(Lmin)，由化學反應速率之比等于化學計量數之比，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反應速率，但不改變化學平衡，故A不選；B．升高溫度，有利于加快化學反應速率，但不利于反應正向進行，不利于提高CH3OH產量，故B不選；C．縮小容器體積，相當于加壓，有利于加快化學反應速率，有利于反應正向進行，即有利于提高CH3OH產量，故C選；D．分離出甲醇，減小逆反應速率，瞬時不改變正反應速率，有利于反應正向進行，故D不選；E．增加CO的濃度，增大正反應速率，瞬時逆反應速率不變，但隨之不斷增大達到新平衡，有利于反應正向進行，即有利于提高CH3OH產量，故E選；故答案為：CE；

(3)T1溫度下，平衡時n(CH3OH)=0.18mol，則n(CO)=0.02mol，n(H2)=0.04mol，保持T1℃不變，起始時加入CO、H2、CH3OH的物質的量分別為amol、bmol、cmol，達到平衡時，仍與原平衡等效，將反應物一邊倒，等效為起始時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)當反應在T1℃進行20min時，迅速將0.02molCO、0.04molH2、0.18molCH3OH同時投入體系中，同時將反應體積擴大為原來的2倍，由“一邊倒”計算可知通入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，即達新平衡時H2的濃度與原平衡相同，繼續充入0.4 mol H2的瞬間H2的濃度變為＝0.05 mol·L－1，平衡時c(H2)＝＝0.02 mol·L－1，變化趨勢圖為：，故答案為：；

(5)原電池負極發生的是燃料(CH3OH)失去電子的氧化反應，電解質溶液為酸性，CH3OH轉化為CO2和H+，則負極的電極反應為：CH3OH-6e-+H2O=CO2↑+6H+，理想狀態下，該燃料電池消耗2mol甲醇所能產生的最大電能為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%。