Question

【題目】工業上利用合成氣(CO、CO2和H2)來生產甲醇，有關反應的化學方程式及其在不同溫度下的化學平衡常數如下表所示。

化學反應	平衡 常數	溫度/℃
		500	700	800
①2H2（g）+CO（g）CH3OH（g）△H1	K1	2.5	0.34	0.15
②H2（g）+CO2（g）H2O（g）+CO（g）△H2	K2	1.0	1.70	2.52
③3H2（g）+CO2（g）CH3OH（g）+H2O（g）△H3	K3

(1)若合成氣為H2和CO2，發生反應III。

①由H2(g)和CO2(g)合成CH3OH(g)的△H3=___________。(用△H1、△H2表示)

②下列措施能使反應III的平衡體系中n(CH3OH)/n(H2)增大的是___________(填字母代號)

A．將水蒸氣從體系中分離出去 B．恒壓時充入氦氣

C．升高溫度 D．恒容時再充入一定量CO2

③500℃測得反應Ⅲ在10分鐘時，H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的濃度分別為2mol·L－1、1.0 mol·L－1、0.6 mol·L－1、0.6 mol·L－1，則此時v(正)___________V(逆)(填“>”“=”或“<”)。從開始到該時刻，用H2表示反應的平均速率為v(H2)=___________。

(2)用合成氣H2、CO和CO2生產甲醇。當n(H2)/n(CO+CO2)=a時，體系中CO平衡轉化率[α(CO)]與溫度和壓強關系的一些散點如圖所示。520K壓強為P時，α(CO)處于C點，

①若保持溫度不變，增大壓強，則可能是圖中的___________點(填字母，下同)。

②若保持壓強不變，升高溫度，則可能是圖中的___________點。

(3)利用甲醇燃料電池進行電解的裝置如圖1，其中A、B、D均為石墨電極，C為銅電極。工作一段時間后斷開K，此時AB兩極上生成等物質的量的氣體。

①乙中B電極為___________(填“陰極”或“陽極”)，該電極上生成的氣體在標準狀況下的體積為___________；

②丙裝置溶液中金屬陽離子的物質的量(n)與轉移電子的物質的量[n(e-)]變化關系如圖2，則圖中c線表示的是___________(填離子符號)的變化。

Answer 1

【答案】H1+H2 A D ＞ 0.18 mol·L1·min1 D I 陰極 2. 24 L Cu2＋

【解析】

(1)①根據蓋斯定律分析解答；

②根據蓋斯定律反應①+反應②得到反應③，可得500°C時，平衡常數K3=K1K2=2.5×1.0=2.5，700°C時平衡常數K3=K1K2=0.34×1.7=0.578，溫度升高平衡常數減小，說明反應為放熱反應，結合化學平衡的影響因素分析判斷；

③根據Qc與K的關系分析判斷v正、v逆的大小；先計算用H2O表示反應的平均速率，再根據速率之比等于化學反應速率之比計算用H2表示反應的平均速率；

(2)首先根據溫度對K的影響分析判斷反應①②③的熱效應，再根據改變的條件對反應①②③的影響分析判斷；

(3)①在燃料電池中通入燃料的為負極，通入氧氣的為正極，結合原電池和電解池的工作原理分析解答；乙電解池中陰極上銅離子得電子生成銅，電極反應為：Cu2++2e-=Cu，工作一段時間后，斷開K，此時A，B兩極上產生的氣體體積相同說明銅離子全部放電后溶液中氫離子放電生成氫氣，電極反應為，2H++2e-=H2↑，根據得失電子守恒結合電極反應式分析解答；

②根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化，銅離子從無增多，鐵離子物質的量減小，亞鐵離子增加，據此判斷。

(1)①反應①2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)△H1，反應②H2(g)+CO2(g)H2O(g)+CO(g)△H2，根據蓋斯定律，將反應①+反應②得：反應③3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H3=H1+H2，故答案為：H1+H2；

②結合反應①+②得到反應③，可得500°C時，平衡常數K3=K1K2=2.5×1.0=2.5，700°C時平衡常數K3=K1K2=0.34×1.7=0.578，溫度升高平衡常數減小，說明反應為放熱反應，3H2(g)+CO2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H3＜0。A．將H2O(g)從體系中分離出去，平衡正向移動，比值增大，故A正確；B．恒壓時充入He(g)，使體系壓強增大，分壓不變，平衡不移動，比值不變，故B錯誤；C．反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，比值減小，故C錯誤；D．恒容時再充入一定量CO2，平衡正向移動，比值增大，故D正確；故答案為：AD；

③平衡常數是利用生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積，結合反應①+②得到反應③，可得平衡常數K3=K1K2=2.5×1.0=2.5，500℃時，測得反應③在某時刻，H2(g)、CO2(g)、CH3OH(g)、H2O(g)的濃度分別為2mol·L－1、1.0 mol·L－1、0.6 mol·L－1、0.6 mol·L－1，Qc==0.045＜K=2.5，則此時v正＞v逆；從開始到該時刻，用H2O表示反應的平均速率為v(H2O)== 0.06mol·L1·min1，用H2表示反應的平均速率為v(H2)= 3v(H2O)=3×0.06mol·L1·min1= 0.18 mol·L1·min1，故答案為：＞；0.18 mol·L1·min1；

(2)①上述反應②反應前后物質的量不變，①③反應后物質的量減少，則保持溫度不變，增大壓強，反應①③平衡正向移動，導致②的平衡也正向移動，CO平衡轉化率[α(CO)]增大，可能變成圖中的D點，故答案為：D；

②反應①的K隨溫度升高而減小，說明升高溫度，平衡逆向移動；反應②的K隨溫度升高而增大，說明升高溫度，平衡正向移動；保持壓強不變，升高溫度，反應①平衡逆向移動，反應②平衡正向移動，導致CO平衡轉化率[α(CO)]減小，可能變成圖中的I點，故答案為：I；

(3)①在燃料電池中通入燃料的為負極，通入氧氣的為正極，則B電極為電解池的陰極，銅離子得電子生成銅，電極反應為：Cu2++2e-=Cu，工作一段時間后，斷開K，此時A，B兩極上產生的氣體體積相同說明銅離子全部放電后溶液中氫離子放電生成氫氣，電極反應為，2H++2e-=H2↑，設生成氣體物質的量為X，溶液中銅離子物質的量為0.1mol，電極反應為：

Cu2+ + 2e- = Cu，

0.1mol 0.2mol

2H+ + 2e- = H2↑，

2x x

A電極為陽極，溶液中的氫氧根離子失電子生成氧氣，電極反應為：

4OH--4e-=2H2O+O2↑，

4xx

根據得失電子守恒，0.2+2x=4x，解得x=0.1mol，乙中A極析出的氧氣或B極析出的氫氣物質的量為0.1mol，在標準狀況下的體積為2.24L，故答案為：陰極；2.24L；

②根據轉移電子的物質的量和金屬陽離子的物質的量的變化，可知，銅離子從無增多，鐵離子物質的量減小，亞鐵離子增加，a為Fe3+，b為Fe2+，c為Cu2+，故答案為：Cu2+。