Question

甲醇是一种优质燃料，在工业上常用CO和H₂合成甲醇，反应方程式为CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)。

已知：

①CO(g)＋1/2O₂(g)＝CO₂(g)  △H₁＝－283.0kJ/mol

②H₂(g)＋1/2O₂(g)＝H₂O(g) △H₂＝－241.8kJ/mol

③CH₃OH(g)＋3/2O₂(g)＝CO₂(g)＋2H₂O(g) △H₃＝－192.2kJ/mol

回答下列问题：

（1）计算CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)的反应热△H₄=____________。

（2）若在绝热、恒容的密闭容器中充入1 mol CO、2 mol H₂，发生CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)反应，下列示意图正确且能说明反应在进行到t₁时刻为平衡状态的是________(填选项字母)。

（3）T₁℃时，在一个体积为5 L的恒容容器中充入1 mol CO、2 mol H₂，经过5 min达到平衡，CO的转化率为0.8，则5 min内用H₂表示的反应速率为v(H₂)=_______。T₁℃时，在另一体积不变的密闭容器中也充入1 mol CO、2 mol H₂，达到平衡时CO的转化率为0.7，则该容器的体积____5 L(填“>”“<”或“=”)；T₁℃时，CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)的平衡常数K=______________。

（4）在T₁℃时，在体积为5 L的恒容容器中充入一定量的H₂和CO，反应达到平衡时CH₃OH的体积分数与n(H₂)／n(CO)的关系如图所示。温度不变，当时，达到平衡状态，CH₃OH的体积分数可能是图象中的______点。

（5）为了提高燃料的利用率可以将甲醇设计为燃料电池，写出KOH作电解质溶液时，甲醇燃料电池的负极反应式：___________________。该电池负极与水库的铁闸相连时，可以保护铁闸不被腐蚀，这种电化学保护方法叫做___________。

（6）含有甲醇的废水随意排放会造成水污染，可用ClO₂将其氧化为CO₂，然后再加碱中和即可。写出处理甲醇酸性废水过程中，ClO₂与甲醇反应的离子方程式：___________________。

Answer

（1）－574.4kJ/mol （2）d （3）0.064mol/(L·min)；＞；625 （4）F

（5）CH3OH－6e－＋8OH－＝CO32-+6H2O；外加电流的阴极保护法

（6）5CH3OH＋6ClO2＝6Cl－＋5CO2＋6H＋＋7H2O

【解析】

试题分析：（1）已知①CO(g)＋1/2O2(g)＝CO2(g) △H1＝－283.0kJ/mol

②H2(g)＋1/2O2(g)＝H2O(g) △H2＝－241.8kJ/mol

③CH3OH(g)＋3/2O2(g)＝CO2(g)＋2H2O(g) △H3＝－192.2kJ/mol

则根据盖斯定律可知①+②×2－③即可得到反应CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)的反应热△H4＝－283.0kJ/mol＋（－241.8kJ/mol）×2－（－192.2kJ/mol）＝－574.4kJ/mol。

（2）a、反应在绝热容器中进行，反应开始后尽管反应物浓度降低，但因为反应是放热反应，所以容器中温度升高，反应速率加快；反应后期随着反应物浓度的降低，反应速率减慢，v（正）最大时并不能说明达到平衡状态。只有当v（正）不再改变时，才能说明达到平衡状态，a错误；b、该反应是放热反应，随着容器中温度升高，平衡常数K逐渐减小，b错误；c、只有当n(CO)、n(H2)、n(CH3OH)不再改变时才能说明达到平衡状态，c错误；d、因为开始时充入的是CO和H2，随着反应进行CO的质量分数逐渐减小，当其不变时，说明达到平衡状态，d正确。

（3）当CO转化率为0.8时，反应掉的n(CO)＝0.8mol，则

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始浓度（mol/L） 0.2 0.4 0

转化浓度（mol/L） 0.16 0.32 0.16

平衡浓度（mol/L） 0.04 0.08 0.16

所以v(H2)＝0.32mol/L÷5min＝0.064mol/(L·min)

温度不变，CO的转化率降低，则一定是扩大容器容积，即容器的容积＞5L。温度不变，则该该温度下反应的平衡常数K＝。

（4）当容器中各物质的物质的量之比等于计量数之比时，达到平衡时生成物的体积分数最大。因此当容器中，平衡时甲醇的体积分数逐渐增大，当容器中，平衡时甲醇的体积分数逐渐减小。所以C点对应的甲醇的体积分数最大。时，平衡时甲醇的体积分数会降低，应选F点。

（5）在碱性环境下，甲醇燃烧的产物CO2会与KOH反应生成K2CO3，因此该电池的负极电极反应式为CH3OH－6e－＋8OH－＝CO32-+6H2O。该电池负极与水库的铁闸相连时，铁闸是阴极，这种电化学保护方法叫做外加电流的阴极保护法。

（6）甲醇的氧化产物是CO2，ClO2的还原产物是Cl－，则根据电子得失守恒和原子守恒可知反应的方程式为5CH3OH＋6ClO2＝6Cl－＋5CO2＋6H＋＋7H2O。

【考点定位】本题主要是考查反应热计算、反应速率和平衡常数计算、外界条件对平衡状态的影响以及电化学原理和氧化还原反应的有关判断

【名师点晴】该题考查的知识点较多，题目难度中等。解答的难点是平衡状态判断和氧化还原反应方程式的书写。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。对于该题需要特别注意绝热容器这一附加条件。关于氧化还原反应的计算，需要利用好电子得失守恒以及原子守恒、电荷守恒等。