Question

甲醇(结构式)是一种基础有机化工原料，应用广泛。工业上可利用废气中的CO₂合成CH₃OH，发生反应CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)  △H＝－49 kJ·mol^-1。

(1)已知反应中的相关化学键键能数据如下：

化学键	O-H	C-O	C=O
E/(kJmol^-1)	465	343	750

甲醇中C－H键比氢气中H－H键____(填“强”或“弱”)。相同条件下该反应的正反应活化能E_a(正)＝210 kJ·mol^-1，则逆反应活化能E_a(逆)＝______kJ·mol^-1。

(2)在1 L恒容密闭容器中充入CO₂和H₂，所得实验数据如下表

实验编号	温度/^。C	起始时物质的量/mol	平衡时物质的量/mol
n(CO2)	n(H2)	n(CH3OH)
①	150	0.23	0.19	0.03
②	200	0.10	0.26	0.02
③	200	0.17	a	0.01

实验①平衡常数K＝______，若在该温度下起始时加入二氧化碳、氢气、甲醇气体和水蒸气各0.10 mol，这时反应向________移动(填“正反应方向”、“逆反应方向”或“不”)，判断理由是______。

实验②达到平衡时H₂转化率为____。

实验③a＝_________。

(3)甲醇、空气和稀硫酸可以形成燃料电池，其正极电极反应式为________。

Answer

弱 259 4.5 逆反应方向 Q= 23.08% 0.13

【解析】

(1)根据△H=反应的总键能－生成物的总键能，有△H=(2×750＋3EH－H)kJ·mol－1－(3EC－H×2＋465×3)kJ·mol－1=－49kJ·mol－1，则EH－H－EC－H=63kJ·mol－1＞０，因此甲醇中C－H键比氢气中H－H键弱；

根据△H=正反应活化能－逆反应的活化能=Ea(正)－Ea(逆)=－49kJ·mol－1，解得Ea(逆)=259KJ/mol；

(2)利用三等式求平衡常数，有

则实验①的平衡常数；

若在该温度下起始时加入二氧化碳、氢气、甲醇气体和水蒸气各0.10mol，此时的浓度商，则此时反应向逆反应方向移动；

实验②，开始投入H2的物质的量为0.26mol，达到平衡时得到0.02molCH3OH，根据化学方程式，需要消耗0.06molH2，则氢气的转化率达到平衡时H2的转化率，有；

实验③和实验②所处温度相同，平衡常数相同，利用平衡常数相同，求a的值，利用三等式和实验②，求出该温度下的平衡常数，有

则实验③的三等式，有

；

因温度相同，则平衡常数相等

解得a=0.13；

(3)甲醇、空气和稀硫酸可以形成燃料电池，正极得电子，发生还原反应，则正极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O。