Question

甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO₂和H₂ )在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下：

i. CO₂(g)+ 3H₂(g)CH₃OH(g)+ H₂O(g)              △H₁=QkJ·mol^{- 1}

ii. CO₂(g)+ H₂(g)CO(g)+ H₂O(g)                  ∆H₂=+41 kJ·mol^{- 1}

iii. CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)                     ∆H₃=-99 kJ·mol^{- 1}

回答下列问题：

(1)Q=______________

(2)反应iii的化学平衡常数K₃=_____________(填表达式)。

(3)图中能正确反映平衡常数K₃随温度变化关系的曲线为_____(填字母)，理由是_______

(4)如图为单位时间内CO₂+H₂、CO+ H₂、CO/CO₂+H₂三个条件下生成甲醇的物质的量浓度与温度的关系(三个条件下通入的CO、CO₂和H₂的物质的量浓度相同)。

①490K时，根据曲线a、c判断合成甲醇时主要发生的反应为______________(填"i ”或" iii")；由曲线a可知，甲醇的量先增大后减小，其原因是__________。

②曲线a与曲线b相比，CO的存在使甲醇生成速率增大，从热力学与动力学角度，并结合反应i、ii分析原因：__________。

(5)如图是以NaOH溶液为电解质溶液的甲醇燃料电池：电极a的反应式为__________， 若隔膜为阳离子交换膜，则每转移6 mol电子，溶液中有___mol Na⁺向___(填“正极区”或“负极区”)移动。

Answer

-58 a 反应iii的∆H3<0，为放热反应，温度升高平衡左移，平衡常数减小 i 温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移 加入CO促进反应ii平衡逆向移动，CO2和H2的量增加，甲醇生成速率加快，同时反应ii为吸热反应，反应i为放热反应，反应ii的存在使得反应i正向进行 CH3OH+8OH－-6e－===CO3－+6H2O 6 正极

【解析】

（1）根据定律进行分析得出CO2(g)+ 3H2(g)CH3OH(g)+ H2O(g)∆H1= ∆H2+ ∆H3，据此进行计算；

（2）根据平衡常数的定义写出反应iii的平衡常数K3=；

（3）根据温度对平衡移动的影响进行分析；

（4）①据图可知490K时主要发生反应i；温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，据此规律进行分析；

②根据浓度对平衡移动的规律进行分析；

（5）该装置是以NaOH溶液为电解质溶液的甲醇燃料电池，电极a为负极，甲醇失电子被氧化成二氧化碳，由于为碱性电解质溶液，二氧化碳被吸收生成碳酸根，据此写出电极方程式；原电池中阳离子流向正极，为保持电荷守恒，满足n（e-）=n（Na+）。

（1）已知：ii. CO2(g)+ H2(g)CO(g)+ H2O(g) ∆H2=+41 kJ·mol- 1

iii. CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ∆H3=-99 kJ·mol- 1

根据盖斯定律由ii+ iii可得i. CO2(g)+ 3H2(g)CH3OH(g)+ H2O(g)，所以∆H1= ∆H2+ ∆H3，所以Q=+41 kJ·mol- 1+(-99 kJ·mol- 1)=-58 kJ·mol- 1；

（2）根据平衡常数的定义可知反应iii的平衡常数K3=；

（3）反应iii的∆H3<0，为放热反应，温度升高平衡左移，平衡常数减小，所以曲线a能正确反映平衡常数K3随温度变化关系；

（4）①据图可知490K时主要发生反应i；温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度升高反应速率加快，单位时间内测得的甲醇含量增大，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移，导致甲醇含量降低；

②加入CO促进反应ii平衡逆向移动，CO2和H2的量增加，甲醇生成速率加快，同时反应ii为吸热反应，反应i为放热反应，反应ii的存在使得反应i正向进行；

（5）该装置是以NaOH溶液为电解质溶液的甲醇燃料电池，电极a为负极，甲醇失电子被氧化成二氧化碳，由于为碱性电解质溶液，二氧化碳被吸收生成碳酸根，所以电极方程式为：CH3OH+8OH－-6e－===CO3－+6H2O；原电池中阳离子流向正极，为保持电荷守恒每转移6 mol电子，溶液中有6mol Na+向正极区移动。