Question

甲醇是一种重要的可再生资源。

（1）已知:2CH₄(g)+O₂(g) =2CO(g)+4H₂(g) △H=akJ•mol^-1

CO(g) +2H₂(g)=CH₃OH(g)    △H=bkJ•mol^-1

写出由CH₄和O₂制取CH₃OH(g)的热化学方程式：____________________________。

（2）反应：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)的平衡常数K的表达式为________________；甲图是反应时CO和CH₃OH(g)的物质的量浓度随时间（t）的变化曲线。从反应开始至达到平衡时，用H₂表示的反应速率υ(H₂)=________________。

（3）在一容积可变的密闭容器中充入10 mol CO和20 mol H₂，发生反应并达到平衡，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化曲线如图乙所示。

①能判断该反应达到化学平衡状态的是_______（填选项字母）。

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．H₂的转化率和CO的转化率相等

D．混合气体的平均相对分子质量不再改变

②比较A、B两点压强大小P(A)________P(B)（填“＞、＜、=”）。

③比较K_A、K_B、K_C的大小：________________。

（4）以甲醇为燃料，O₂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）。若KOH溶液足量，写出燃料电池负极的电极反应式：________________________。

Answer

2CH4(g)+O2(g)=2CH3OH(g)  ΔH=(a+2b)kJ·mol-1 K= 0.15mol·L-1·min-1 BD ＜ KA=KB>KC CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

【解析】（1）本题考查热化学反应方程式的计算，甲烷和氧气反应制取甲醇的反应方程式为2CH4＋O2→2CH3OH，①2CH4(g)+O2(g) =2CO(g)+4H2(g) ，②CO(g) +2H2(g)=CH3OH(g)，①＋2×②得出2CH4(g)＋O2(g)=2CH3OH(g) △H=(a＋2b)kJ·mol－1；（2）本题考查化学平衡常数以及反应速率的计算，根据化学平衡常数的定义，此反应的化学平衡常数的表达式为K=；根据化学反应速率定义，v(CH3OH)=0.75/10mol/(L·min)=0.075 mol/(L·min)，根据化学反应速率之比等于化学计量数之比，即v(H2)=2v(CH3OH)=2×0.075mol/(L·min)=0.15mol/(L·min)；（3）本题考查化学平衡状态的判断以及影响化学平衡的因素、影响化学平衡常数的因素，①A、用不同物质的化学反应速率判断达到化学平衡，要求反应方向是一正一逆，且化学反应速率之比等于化学计量数之比，消耗氢气和生成甲醇反应都是向正反应方向移动，因此不能判断是否达到平衡，故错误；B、根据化学平衡常数的定义，当组分的浓度不再改变，说明反应达到平衡，故正确；C、因为投入的物质的量之比与化学计量数之比相等，任何时刻，两者的转化率相等，因此不能判断是否达到化学平衡，故错误；D、根据M=m/n，组分都是气体，气体总质量不变，反应前后气体系数之和不相等，因此平均摩尔质量不变，说明反应达到平衡，故正确；②根据影响化学平衡移动的因素，增大压强，平衡向正反应方向移动，即压强越大，CO的转化率越大，P(A)KC；（4）通甲醇的一极为负极，通氧气的一极为正极，电解质为KOH，因此负极反应式为CH3OH＋8OH－－6e－=CO32－＋6H2O。

点睛：本题难点在电极反应式的书写，此电池为燃料电池，相当燃料在氧气中燃烧，甲醇与氧气反应生成CO2和H2O，但电解质环境是碱性，因此CO2与OH－反应生成CO32－，CH3OH中C显－2价,CO32－中C显＋4价，1mol甲醇参加反应失去6mole－，即负极电极反应式为CH3OH＋8OH－－6e－=CO32－＋6H2O，在书写燃料电极反应式时，学生常常忽略的是电解质的环境。