Question

【題目】H2是一種重要的清潔能源。

(1)2018年我國某科研團隊利用透氧膜，一步即獲得合成氨原料和合成液態燃料的原料。其工作原理如圖所示（空氣中N2與O2的物質的量之比按4：1計）。工作過程中，膜I側所得=3，則膜I側的電極方程式為________________________。

(2)已知: CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，H2還原CO反應合成甲醇的熱化學方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)ΔH1，則ΔH1=_____________ kJ/mol，該反應自發進行的條件為_________。

A.高溫 B.低溫 C.任何溫度條件下

(3)恒溫恒壓下，在容積可變的密閉容器中加入1mol CO和2.2 mol H2，發生反應 CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，實驗測得平衡時CO的轉化率隨溫度、壓強的變化如圖所示。

P1_______P2，判斷的理由是____________________________。

(4)若反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)在溫度不變且體積恒定為1L的密閉容器中發生，反應過程中各物質的物質的量隨時間變化見下表所示：

時間/min	0	5	10	15
H2	4		2
CO	2			1
CH3OH(g)	0	0.7

①下列各項能作為判斷該反應達到平衡標志的是_____(填字母)；

A.容器內壓強保持不變 B.2v正(H2)=v逆(CH3OH)

C.混合氣體的相對分子質量保持不變 D.混合氣體的密度保持不變

②若起始壓強為P0 kPa，則在該溫度下反應的平衡常數Kp=__________(kPa)-2。（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）。

③反應速率若用單位時間內分壓的變化表示，則10min內H2的反應速率v(H2)= _______Pa/min。

Answer 1

【答案】12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2- -90.1 B > 正反應為氣體分子數減小的反應，加壓平衡右移，CO的轉化率增大，由圖知相同溫度時P1下CO的轉化率大于P2，所以P1大于P2 AC

【解析】

(1)由圖可知：在膜II測CH4中的C失去電子被氧化為CO，膜I側氧氣水得到電子，據此分析解答；

(2)根據蓋斯定律將兩個熱化學方程式疊加，可得總反應方程式；根據熱化學方程式判斷其ΔH、ΔS，并根據體系自由能公式ΔG=ΔH-TΔS<0反應能自發進行判斷；

(3)根據壓強對化學平衡的影響分析判斷；

(4)①反應是在恒容的密閉容器內進行，根據該反應是氣體體積減小的放熱反應，若反應達到平衡，則任何一組分的物質的量、濃度及含量不變，平均相對分子質量不變，據此分析；

②根據加入各種物質的物質的量及平衡分壓的含義、化學平衡常數的定義分析判斷；

③根據化學反應速率的定義，用單位時間內分壓的變化表示，可得H2的反應速率。

(1)由圖可知：在膜II測CH4中的C失去電子被氧化為CO，膜I側氧氣、水得到電子，每1molO2反應，得到4個電子，在膜I側發生的電極反應為：①O2+4e-=2O2-，②H2O+2e-=H2+O2-↑，假設O2為1，則N2為4，由于在空氣中N2與O2的物質的量之比按4：1，反應后膜I側所得=3，則反應后得到H2為12，即有12molH2O發生反應產生H2，所以①+12×②可得膜I的總反應式：12H2O+O2 +28e-=12H2 ↑+14O2-；

(2) ①CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ/mol，②CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH3= -41.1 kJ/mol，①+②，整理可得H2還原CO反應合成甲醇的熱化學方程式為：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ/mol；根據熱化學方程式可知：該反應的正反應是氣體體積減小的放熱反應，ΔH<0，ΔS<0，根據體系的自由能公式ΔG=ΔH-TΔS，若反應能自發進行，則ΔG<0，所以該反應自發進行的條件是低溫可自發，選項B符合題意；

(3)反應CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的正反應是氣體體積減小的反應，在其它條件不變時，增大壓強，化學平衡正向移動，CO的平衡轉化率增大，根據圖示可知CO的轉化率P1>P2，所以壓強：P1>P2，

(4)①A.反應是在恒容的密閉容器內進行，由于該反應是氣體體積減小的反應，若反應達到平衡，則容器內氣體的壓強保持不變，A正確；

B.在任何時刻都存在：v正(H2)=2v正(CH3OH)，若反應達到平衡v正(CH3OH)=v逆(CH3OH)，則v正(H2)=2v逆(CH3OH)，現在2v正(H2)=v逆(CH3OH)，說明反應未處于平衡狀態，B錯誤；

C.由于該反應反應前后氣體分子數不相等，若混合氣體的相對分子質量保持不變，說明氣體的物質的量不變，反應達到平衡狀態，C正確；

D.由于反應混合物都是氣體，在任何狀態下氣體的質量不變，容器的容積不變，因此任何條件下，混合氣體的密度都保持不變，故不能據此判斷反應是否處于平衡狀態，D錯誤；

故合理選項是AC；

② 2H2(g) +CO(g)CH3OH(g)

n始(mol) 4 2 0

n10(mol) 2 1 1

n平(mol)2 1 1

由于反應開始時氣體的物質的量是6mol，總壓強為P0，則平衡時H2占分壓為，CO占分壓為，CH3OH占分壓為，帶入平衡常數表達式Kp==(kPa)-2；

③反應開始時H2占的分壓為，10分鐘時占分壓為，減少了，所以V(H2)== Pa/min。