Question

（14分）甲醇是一种重要的可再生能源。

（1）已知2CH₄(g)+O₂(g)=2CO(g)+4H₂(g)   ΔH＝a KJ/mol

CO(g)+2H₂(g)＝CH₃OH(g)      ΔH＝b KJ/mol

试写出由CH₄和O₂制取甲醇的热化学方程式：                           。

（2）还可以通过下列反应制备甲醇：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)。

甲图是反应时CO和CH₃OH(g)的浓度随时间的变化情况。从反应开始到达平衡，用H₂表示平均反应速率υ(H₂)＝                       。

（3）在一容积可变的密闭容器中充入10 mol CO和20 mol H₂，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如乙图所示。

①下列说法能判断该反应达到化学平衡状态的是_______。（填字母）

A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍   

B．H₂的体积分数不再改变

C．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等        

D．体系中气体的平均摩尔质量不再改变

②比较A、B两点压强大小P_A________P_B（填“＞、＜、＝”）。

③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20 L。如果反应开始时仍充入10 molCO和20 molH₂，则在平衡状态B时容器的体积V(B)＝         L。

（4）以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，KOH溶液为电解质溶液，可制成燃料电池（电极材料为惰性电极）。

①若KOH溶液足量，则写出电池总反应的离子方程式：___________________。

②若电解质溶液中KOH的物质的量为0.8 mol，当有0.5 mol甲醇参与反应时，电解质溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是               。

Answer

(1)2CH4(g)+O2(g)＝2CH3OH(g) ΔH＝(a+2b)kJ/mol (2分)

(2)0.15mol/(L·min)(2分)

(3)①BD(2分) ②＜(2分) ③4L(2分)

(4)①2CH3OH+3O2+4OH-＝2CO32-+6H2O(2分)

②c(K+)>c(CO3­2-)>c(HCO3-)>c(OH-)>c(H+) (2分)

【解析】

试题分析：（1）已知① 2CH4(g)+O2(g)=2CO(g)+4H2(g) ΔH＝a KJ/mol，② CO(g)+2H2(g)＝CH3OH(g) ΔH＝b KJ/mol，则根据盖斯定律可知①+②×2即得到由CH4和O2制取甲醇的热化学方程式2CH4(g)+O2(g)＝2CH3OH(g) ΔH＝(a+2b)kJ/mol。

（2）根据图像可知平衡时生成甲醇0.75mol/L，则根据方程式可知消耗氢气是1.5mol/L，则用H2表示平均反应速率υ(H2)＝1.5mol/L÷10min＝0.15mol/(L·min)。

（3）①在一定条件下，当可逆反应的正反应速率和逆反应速率相等时（但不为0），反应体系中各种物质的浓度或含量不再发生变化的状态，称为化学平衡状态。A．根据方程式可知H2的消耗速率在任何情况下等于CH3OH的生成速率的2倍，A错误；B．H2的体积分数不再改变说明正逆反应速率达到平衡状态，B正确；C．由于反应前氢气和CO是按照化学计量数之比通入的，则体系中H2的转化率和CO的转化率始终是相等的，C错误；D．混合气的平均相对分子质量是混合气的质量和混合气的总的物质的量的比值，质量不变，但物质的量是变化的，所以体系中气体的平均摩尔质量不再改变可以说明反应达到平衡状态，D正确，答案选BD。

②正方应是体积减小的可逆反应，则在温度相等的条件下，增大压强平衡向正反应方向进行，CO的转化率增大，所以根据图像可知A、B两点压强大小PA＜PB。

③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20 L，此时CO的转化率是50%，则平衡时剩余CO、氢气的物质的量分别是5mol和10mol，生成甲醇是5mol，则平衡常数K＝。B点CO的转化率是0.8，则平衡时剩余CO和氢气分别是2mol、4mol，生成甲醇是8mol。温度不变，平衡常数不变，则K＝，解得V＝4L，即如果反应开始时仍充入10 molCO和20 molH2，则在平衡状态B时容器的体积V(B)＝4L。

（4）①若KOH溶液足量，甲醇的氧化产物是碳酸钾，因此电池总反应的离子方程式为2CH3OH+3O2+4OH-＝2CO32-+6H2O。

②0.5mol甲醇参与反应时，可以生成0.5molCO2，设碳酸钾和碳酸氢钾的物质的量分别是xmol和ymo，则x＋y＝0.5、2x＋y＝0.8，解得x＝0.3、y＝0.2，所以电解质溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是c(K+)>c(CO3­2-)>c(HCO3-)>c(OH-)>c(H+)。

考点：考查盖斯定律、反应速率、外界条件对平衡状态的影响以及平衡状态计算、电化学原理应用和离子浓度大小比较等