Question

甲醇是一种基础的有机化工原料和优质燃料。利用合成气（主要成分为CO、CO₂和H₂）在催化剂作用下可以合成甲醇，主要反应如下：

①CO（g）＋2H₂（g）CH₃OH（g）   △H₁

②CO₂（g）＋3H₂（g）CH₃OH（g）＋H₂O（g） △H₂

③CO₂（g）＋H₂（g）CO（g）＋H₂O（g）   △H₃

回答下列问题：

（1）已知反应①中相关的化学键键能数据如下：

由此计算△H₁＝_________kJ·mol^－1；已知△H₂＝－58 kJ·mol^－1，则△H₃＝_______kJ·mol^－1。

（2）反应①、②、③对应的平衡常数K₁、K₂、K₃之间的关系是K₂＝________；随着温度的升高，K₁______（填“减小”、“增大”或“不变”）。

（3）合成气组成n(H₂)／n(CO＋CO₂)＝2.60时，体系中的CO平衡转化率（α）与温度和压强的关系如下图左所示。图中压强由大到小的顺序为______________。

（4）上图右是某研究机构开发的给笔记本电脑供电的甲醇燃料电池，甲醇在催化剂作用下提供质子（H^＋）和电子，电池总反应为：2CH₃OH＋3O₂＝2CO₂＋4H₂O。一个甲醇分子经过电化学氧化，可以产生_______个电子的电量，其负极的电极反应式为_______________。

Answer

（1）-99；+41（2）K1•K3 减小

（3）p3>p2>p1（4）6 CH3OH + H2O - 6e－＝CO2↑+6H+

【解析】

试题分析：（1）反应热等于断键吸收的能量与形成化学键所放出的能量的差值，则根据表中数据和反应的化学方程式CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)可知反应热△H1＝1076kJ/mol＋2×436 kJ/mol—3×413 kJ/mol—343 kJ/mol—465 kJ/mol＝—99kJ.mol-1。根据盖斯定律可知②—①即可得到反应③，则△H3＝—58 kJ/mol＋99 kJ/mol＝＋41kJ.mol-1。

（2）根据盖斯定律可知②—①即可得到反应③，则反应①、②、③对应的平衡常数K1、K2、K3之间的关系是K2＝K1•K3；反应①是放热反应，随着温度的升高，K1减小。

（3）相同温度下，由于反应①为气体分子数减小的反应，加压有利于提升CO的转化率；而反应③为气体分子数不变的反应，产生CO的量不受压强影响，故增大压强时，有利于CO的转化率升高，所以图2中的压强由大到小为P3＞P2＞P1。

（4）甲醇分子中碳元素的化合价是－2价，反应后转化为＋4价，失去6个电子，则一个甲醇分子经过电化学氧化，可以产生6个电子的电量。由于存在质子交换膜，则其负极的电极反应式为CH3OH + H2O - 6e－＝CO2↑+6H+。

【考点定位】本题主要是考查反应热计算、平衡常数、外界条件对平衡状态的影响及电化学原理的应用

【名师点晴】该题的难点是化学平衡图像分析与判断，解答时需要掌握以下技巧：弄清可逆反应的正反应是吸热还是放热，体积增大、减小还是不变，有无固体、纯液体物质参与反应等；先拐先平，在含量(转化率)—时间曲线中，先出现拐点的则先达到平衡，说明该曲线反应速率快，表示温度较高、有催化剂、压强较大等；定一议二，当图像中有三个量时，先确定一个量不变，再讨论另外两个量的关系，有时还需要作辅助线；三步分析法，一看反应速率是增大还是减小；二看v正、v逆的相对大小；三看化学平衡移动的方向。