Question

甲醇是一種很好的燃料，被稱為21世紀(jì)的新型燃料．
工業(yè)上可通過H₂和CO化合制備甲醇，該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：
CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?molˉ¹
（1）已知：CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ?molˉ¹
           H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O （g）△H₃=-242kJ?molˉ¹
1mol甲醇燃燒生成CO₂和水蒸氣放出

651

kJ的熱量．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，將a mol CO與 3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下在VL容器中制備甲醇．
①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是

BD

．
A．升高溫度                    B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大   D．再充入1mol CO和3mol H₂
②為了尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（MPa）
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A．則上表中剩余的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)：a=

150

、b=

1/3

．
B．根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，右上圖是在壓強(qiáng)分別為0.1MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線圖，請(qǐng)指明圖中的壓強(qiáng)P₁=

0.1

MPa．
③100℃時(shí)，CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）反應(yīng)的平衡常數(shù)為

4a2

V2

（用含a、V的代數(shù)式表示）．
（3）科學(xué)家預(yù)言，燃料電池將是21世紀(jì)獲得電力的重要途徑，而甲醇燃料電池具備甲醇燃料容易攜帶、容易存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，目前被認(rèn)為將會(huì)替代傳統(tǒng)的電池成為攜帶型設(shè)備的主要電源．右圖是甲醇的質(zhì)子交換膜型燃料電池模型．寫出其電極反應(yīng)式
正極：

3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O

負(fù)極：

2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)已知反應(yīng)和目標(biāo)反應(yīng)，利用蓋斯定律來計(jì)算反應(yīng)熱；
（2）①反應(yīng)CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）向正向移動(dòng)，則可增加甲醇產(chǎn)率；
②由圖可知，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為CO的轉(zhuǎn)化率，P₁、P₂為兩種不同的壓強(qiáng)，以此來分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；
③化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比；
（3）由甲醇的質(zhì)子交換膜型燃料電池模型圖可知，負(fù)極甲醇參與反應(yīng)，正極氧氣參與反應(yīng)，且H⁺能通過交換膜，以此來書寫電極反應(yīng)式．

解答：解：（1）由①CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ?mol^-1，
③H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O （g）△H₃=-242kJ?mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律可知，②+③×2-①可得CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O （g），
則△H=（-283kJ?mol^-1）+（-242kJ?mol^-1）×2-（-116kJ?mol^-1）=-651kJ?mol^-1，
即1mol甲醇燃燒生成CO₂和水蒸氣放出651kJ的熱量，故答案為：651；
（2）①對(duì)于CO+2H₂ CH₃OH，為放熱反應(yīng)，
A．升高溫度，化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，則甲醇的產(chǎn)率降低，故A錯(cuò)誤；                    
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，能使反應(yīng)正向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，容積不變，則反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度不變，化學(xué)平衡不移動(dòng)，產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D．再充入1molCO和3molH₂，反應(yīng)物的濃度增大，反應(yīng)正向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故D正確；
故答案為：BD；
 ②A．因圖中橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為CO的轉(zhuǎn)化率，P₁、P₂為兩種不同的壓強(qiáng)，則實(shí)驗(yàn)中n（CO）/n（H₂）相同，即b=1/3，為便于比較，則實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2的溫度應(yīng)相同，壓強(qiáng)不同，即a=150，故答案為；150；1/3；
B．由圖可知，相同溫度時(shí)，P₁對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率降低，則P₁為0.1MPa，故答案為：0.1；
③100℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，則
     CO+2H₂ CH₃OH，
開始 a  3a             0
轉(zhuǎn)化0.5a  a            0.5a
平衡0.5a  2a            0.5a
則K=

0.5a V

0.5a V × (2a)2 V2

=

V2

4a2

，
與CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）互為逆反應(yīng)，
則化學(xué)平衡常數(shù)互為倒數(shù)，即100℃時(shí)，CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）反應(yīng)的平衡常數(shù)為為

4a2

V2

，
故答案為：

4a2

V2

；
（3）由甲醇的質(zhì)子交換膜型燃料電池模型圖可知，負(fù)極甲醇參與反應(yīng)，正極氧氣參與反應(yīng)，且H⁺能通過交換膜，
則正極反應(yīng)式為3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O，負(fù)極反應(yīng)式為2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂，
故答案為：3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O；2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂．

點(diǎn)評(píng)：本題綜合性較強(qiáng)，難度較大，注重了對(duì)化學(xué)反應(yīng)與能量、化學(xué)平衡及平衡計(jì)算、電化學(xué)等高考考點(diǎn)的考查，對(duì)學(xué)生能力的要求較高，（2）是學(xué)生解答的易錯(cuò)點(diǎn)，體現(xiàn)學(xué)生分析問題、解答問題的能力．