Question

（Ⅰ）氮及其化合物在工农业生产中具有广泛的用途，农业对化肥的需求是合成氨工业发展的持久推动力。某小组进行工业合成氨N₂(g)+3H₂(g) 2NH₃(g) △H＜0的模拟研究，在2L密闭容器中，保持体系内温度600℃不变，分别加入0.2mol N₂和0.6mol H₂。实验a、b、c中c(N₂)随时间（t）的变化如下图所示。

（1） 实验b从开始到达平衡状态的过程中，用H₂表示的平均反应速率为_________________，600℃时，该反应的化学平衡常数为____________（计算结果保留一位小数）。

（2）与实验a相比，实验b所采用的实验条件可能为________________（填字母序号，下同），实验c所采用的实验条件可能为_________________。

A.增大压强      B.减小压强 C.升高温度     D.使用催化剂

（3）下列条件能使该反应的反应速率增大，且能提高H₂的转化率的是___________

A.及时分离出氨气    B.适当增大压    C.增大H₂的浓度    D.选择高效催化剂

（4）恒温恒容条件下，表明该反应达到化学平衡状态的标志是___________        

A. 混合气体的压强不再改变的状态       B. 混合气体的密度不再改变的状态

C. 混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态

（Ⅱ）能源短缺是人类社会面临的重大问题．甲醇是一种可再生能源，具有广泛的开发和应用前景。

（1）工业上合成甲醇的反应原理为：CO（g）+2H₂（g）⇌CH₃OH（g） △H，

下表所列数据是该反应在不同温度下的化学平衡常数（K）．

温度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①根据表中数据可判断△H___________0 （填“＞”、“=”或“＜”）．

②在300℃时，将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为1L的密闭容器中，此时反   

应将 _____________（填字母序号）．  

  A．向正方向移动    B．向逆方向移动    C．处于平衡状态    D．无法判断

（2）已知在常温常压下：

①2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）  △H=-1451.6kJ•mol^-1

②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1

  写出该条件下甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式：

___________________________________________________________ 。

（3）以甲醇、氧气为原料，KOH溶液作为电解质构成燃料电池总反应为：  2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，则负极的电极反应式为 ________________________，

随着反应的不断进行溶液的pH _____________（填“增大”“减小”或“不变”）．

（4）如果以该燃料电池为电源，石墨作两极电解饱和食盐水，则该电解过程中阳极的电极反应式为____________________________________；如果电解一段时间后NaCl溶液的体积为1L，溶液的pH为12（25℃下测定），则理论上消耗氧气的体积为 _______ mL（标况下），此时电路中通过的电子数为_________________________。

Answer

0.012mol·L-1·min-1 18.3 D B B A ,C ＜ A CH3OH（l）+O2（g）=CO（g）+2H2O（l）△H=-442.8kJ•mol-1 【答题空10】CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O 减小 2Cl--2e-=Cl2↑ 56 0.01NA(或6.02x1021)

【解析】(Ⅰ)(1) 实验b从开始到达平衡状态的过程中，用N2表示的平均反应速率为=0.004mol·L-1·min-1，则用H2表示的平均反应速率为3×0.004mol·L-1·min-1=0.012mol·L-1·min-1 ；

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

起始浓度(mol/L) 0.10 0.30 0

变化浓度(mol/L) 0.04 0.12 0.08

平衡浓度(mol/L) 0.06 0.18 0.08

600℃时，该反应的化学平衡常数K==18.3；

(2)根据图象可知b到达平衡的时间比a短，到达平衡时N2的浓度与a相同，化学平衡不移动，故b与a相比加了催化剂，故D正确；a和c比较可知，c的速率比a小，平衡时氮气的浓度高，即平衡逆向移动，故c为减小了压强，故B正确；

(3)下列选择中能增大反应速率的措施为适当增大压强、增大H2的浓度、选择高效催化剂，但能提高H2的转化率的只有适当增大压强，而催化剂不改变转化率，增大H2的浓度降低H2的转化率，故答案为B。

(4)A. 体积不变，混合气体的总物质的量是不定值，则混合气体的压强不再改变的状态是平衡状态，故A正确；B. 容器体积和混合气体的质量始终不变，混合气体的密度不再改变的状态，不一定是平衡状态，故B错误；C. 混合气体的质量始终不变，混合气体的总物质的量是不定值，混合气体的平均相对分子质量不再改变的状态，是平衡状态，故C正确；答案为AC；

(Ⅱ)(1)①依据表中数据分析，随温度升高，平衡常数减小，说明平衡逆向进行正反应为放热反应，△H＜0；

②在300℃时，将2mol CO、3mol H2和2mol CH3OH充入容积为1L的密闭容器中，CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)，浓度商Q==＜K=0.270，反应正向进行，故答案为A；

(2)①2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l)△H=-1451.6kJ•mol-1
②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H=-566.0 kJ•mol-1
依据盖斯定律计算得到：CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H=[(-1451.6kJ•mol-1)-(-566.0 kJ•mol-1)]×=-442.8kJ•mol-1，则甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为CH3OH(l)+O2(g)=CO(g)+2H2O(l)△H=-442.8kJ•mol-1；

(3)以甲醇、氧气为原料，KOH溶液作为电解质溶液构成燃料电池总反应为：2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O，甲醇燃料电池中甲醇在负极失电子发生氧化反应，碱溶液中生成碳酸盐，负极电极反应为：CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O；随着反应的不断进行溶液的pH减小；

(4)电解饱和食盐水，氯离子在阳极发生氧化反应生成氯气，电极反应式为：2Cl--2e-=Cl2↑，电解一段时间，溶液的pH=12，则溶液中c(OH-)=0.01mol/L，则n(OH-)=0.01mol/L×1L=0.01mol，根据反应2NaCl+2H2O=H2↑+Cl2↑+2NaOH可知，n(Cl2)=0.01mol×=0.005mol，根据电子转移守恒有4n(O2)=2n(Cl2)，所以n(O2)==0.0025mol，故原电池消耗氧气的体积为0.0025mol×22.4L/mol=0.056L=56mL，转移电子数为n(O2)×4=0.0025mol×4=0.01NA=6.02x1021。

点睛：可逆反应达到平衡状态有两个核心的判断依据：①正反应速率和逆反应速率相等。②反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变。只要抓住这两个特征就可确定反应是否达到平衡状态，对于随反应的发生而发生变化的物理量如果不变了，即说明可逆反应达到了平衡状态。判断化学反应是否达到平衡状态，关键是看给定的条件能否推出参与反应的任一物质的物质的量不再发生变化，即变量不再发生变化。