Question

以煤为原料可合成一系列燃料。

(1)已知：①2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)   ΔH=-483.6 kJ/mol，

②CH₃OH(g)+H₂O(g)=CO₂(g)+3H₂(g)  ΔH=+49.0 kJ/mol

请写出甲醇燃烧生成H₂O(g)的热化学方程式_________；

(2)向1 L密闭容器中加入2 mol CO、4 mol H₂，在适当的催化剂作用下，发生反应：2CO(g)+4H₂(g)⇌CH₃OCH₃(l)+H₂O(l)  ΔH=+71 kJ/mol

①该反应能否_________自发进行(填“能”、“不能”或“无法判断”)

②下列叙述能说明此反应达到平衡状态的是_________．

a．混合气体的平均相对分子质量保持不变    b．CO和H₂的转化率相等

c．CO和H₂的体积分数保持不变            d．混合气体的密度保持不变

e．1 mol CO生成的同时有1 mol O-H键断裂

(3)CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)  ΔH＜0在一定条件下，某反应过程中部分数据如下表：

反应条件	反应时间	CO2(mol)	H2(mol)	CH3OH(mol)	H2O(mol)
恒温恒容 (T1℃、2L)	0min	2	6	0	0
10min		4.5
20min	1
30min			1

①0～10 min内，用H₂O(g)表示的化学反应速率v(H₂O)=_________mol/(L·min)；

②达到平衡时，该反应的平衡常数K=_________(用分数表示)，平衡时H₂的转化率是_________；

③在其他条件不变的情况下，若30 min时向容器中再充入1 mol CO₂(g)和1 mol H₂O(g)，则平衡_______移动(填“正向”、“逆向”或“不”)；

(4)用甲醚(CH₃OCH₃)作为燃料电池的原料，请写出在碱性介质中电池负极反应式_________。

Answer

2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g) ΔH=-1352.8 kJ/mol 不能 d 0.025 50% 不 CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

【解析】

(1)根据盖斯定律，将已知热化学方程式叠加，可得待求反应的热化学方程式；

(2)①根据反应自发进行的判断依据分析；

②根据反应达到平衡状态时，物质的浓度不变、物质的含量不变等分析判断；

(3)①0～10 min内H2物质的量变化△n(H2)=6 mol-4.5 mol=1.5 mol，先计算H2表示的反应速率，再根据速率之比等于化学方程式计量数之比，可得用H2O表示的反应速率；

②图表中计算20 min时二氧化碳消耗物质的量1 mol，同时生成1 mol甲醇，30 min甲醇物质的量为1 mol，则20 min反应处于平衡状态，结合物质转化关系计算各种气体的平衡浓度，可得氢气转化率和平衡常数；

③在其它条件不变的情况下，若30 min时向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，计算此时浓度商，并与平衡常数比较，判断反应进行方向；

(4)甲醚作为燃料电池的原料，甲醚在负极失电子发生氧化反应，依据电极反应写出电极反应。

(1)已知：①2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH=-483.6 kJ/mol，

②CH3OH(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g) ΔH=+49.0 kJ/mol

根据盖斯定律，将①×3+②×2，整理可得2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(g) ΔH=-1352.8 kJ/mol；

(2)①根据方程式2CO(g)+4H2(g)⇌CH3OCH3(l)+H2O(l) ΔH=+71 kJ/mol可知：该反应的正反应是气体体积减小的吸热反应，ΔH＞0，ΔS＜0，反应的自由能ΔG=ΔH－TΔS＞0，所以反应不能自发进行；

②a．只有反应物为气体，加入的两种气体的物质的量的比等于反应消耗的二者的物质的量的比，混合气体的平均相对分子质量始终不变，因此不能据此说明反应处于平衡状态，a错误；

b．由于两种气体的起始量和变化量之比相同，CO和H2的转化率始终相等，与反应是否达到平衡无关，因此不能说明反应是否处于平衡状态，b错误；

c．由于生成物都是液体，气体体积分数始终不变，CO和H2的体积分数保持不变，因此不能说明反应是否处于平衡状态，c错误；

d．反应前后气体体积不变，气体质量发生变化，当混合气体的密度保持不变时，说明反应处于平衡状态，d正确；

e．1 mol CO生成的同时有1 mol O-H键断裂，只能说明反应逆向进行，不能说明正、逆反应速率相同，反应处于平衡状态，e错误；

故合理选项是d；

(3)①0～10 min内氢气物质的量变化△n(H2)=6 mol-4.5 mol=1.5 mol，v(H2)==0.075 mol/(L·min)，由于化学反应速率之比等于化学方程式计量数之比，所以v(H2O)=v(H2)=×0.075 mol/(L·min)=0.025 mol/(L·min)；

②图表中20 min时CO2反应消耗1 mol，同时生成1 mol甲醇，30 min甲醇物质的量也是1 mol，说明20 min反应处于平衡状态。20 min时CO2反应1 mol，同时消耗3 mol H2，反应产生1 mol CH3OH和1 mol H2O，则此时各种气体的物质的量浓度：c(CO2)==0.5 mol/L，c(H2)==1.5 mol/L，c(CH3OH)=c(H2O)==0.5 mol/L，故该条件下反应的化学平衡常数K==；平衡时H2的转化率=×100%=50%；

③在其它条件不变时，若30 min时向容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，Qc=== K，说明化学平衡不移动；

(4)若用甲醚作为燃料电池的原料，甲醚在负极失电子，发生氧化反应，在碱性介质中电池负极的电极反应式为：CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。