Question

甲醇是一种理想的液体燃料，工业上可利用CO与H₂反应合成甲醇，即CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g)，该反应是放热反应。若在体积为2L的密闭容器中加入5molH₂和一定量的CO后，CO和CH₃OH(g)的浓度随时间的变化情况如图所示。

        

(1)该反应在0-4min内用H₂表示的反应速率为：v(H₂) =_____mol·L^-1·s^-1；10min末H₂的转化率______； CO的体积分数________。

(2)该反应进行10min后，若体积不变，通入惰性气体则正应速率将______；在其他条件不变时，只升高体系的温度，则该反应的逆反应速率将______。 (填“增大”、“减小”或“不变”)

(3)当温度和体积一定时，该反应达到平衡状态的标志是______

A．混合气体的密度不变  

B．CO、H₂、CH₃OH的反应速率之比为1: 2: 1

C．混合气体的平均相对分子质量不变  

D．混合气体的质量不变

E．混合气体的压强不变  

F．单位时间内生成a mol CH₃OH，同时消耗2a mol H₂

(4)如图是某研究机构开发的给笔记本电脑供电的甲醇燃料电池，甲醇在催化剂作用下提供质子(H⁺)和电子，M应作为原电池的_____(填“正极”或“负极”)；H⁺通过质子交换膜移向____(填M电极或N电极)；其负极的电极反应式为_______。

Answer

0.004 (或0.0042) 60% 12.5% 不变 增大 C、E 负极 N电极 CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+

【解析】

(1)依据图象分析计算甲醇的反应速率，结合反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气表示的反应速率；列出三段式分析计算；

(2)若体积不变，通入惰性气体不改变反应物的浓度，则正应速率将不变；升高反应的温度，反应速率增大；

(3)化学平衡的标志是正逆反应速率相同，各组分含量保持不变，及其衍生的物理量的变化分析判断；

(4)原电池中电子从负极经外电路流向正极，根据电子流向可知M电极为负极，N电极为正极，原电池内部阳离子移向正极，H+通过质子交换膜移向N电极，甲醇在负极上发生氧化反应，电极反应式为CH3OH-6e－+H2O=CO2+6H＋，正极电极反应为O2+4H＋+4e－=2H2O。

(1)甲醇的反应速率v(CH3OH)==0.125mol·L－1·min－1，结合反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气表示的反应速率v(H2)=2v(CH3OH)=0.25mol·L－1·min－1=0.004 (或0.0042)mol·L-1·s-1；

10min末H2的转化率= ×100%= 60%； CO的体积分数= ×100%= 12.5%。故答案为：0.004 (或0.0042)；60%；12.5%；

(2)该反应进行10min后，若体积不变，通入惰性气体不改变反应物的浓度，则正应速率将不变；在其他条件不变时，只升高体系的温度，单位体积内活化分子百分数增大，则该反应的逆反应速率将增大。故答案为：不变；增大；

(3)A．混合气体的密度始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故A错误；

B．CO、H2、CH3OH的反应速率之比为1: 2: 1 ，不能证明正逆反应速率相同，不能确定反应达到平衡状态，故B错误；

C．该反应混合气体的质量不变，气体的物质的量发生变化，混合气体的平均相对分子质量不变，证明各组分含量保持不变，说明反应达到平衡状态，故C正确；

D．混合气体的质量始终不变，不能说明反应达到平衡状态，故D错误；

E．反应中气体的物质的量发生变化，混合气体的压强不变，证明正逆反应速率相同，说明反应达到平衡状态，故E正确；

F．单位时间内生成a mol CH3OH，同时消耗2a mol H2，均表示正速率，不能说明正逆反应速率相同，故F错误；

故答案为：C、E；

(4)原电池中电子从负极经外电路流向正极，根据电子流向可知M电极为负极，N电极为正极。甲醇在催化剂作用下提供质子(H+)和电子，M上失电子，发生氧化反应，应作为原电池的负极；原电池内部阳离子移向正极，H+通过质子交换膜移向N电极；CH3OH失电子被氧化，酸性条件下生成二氧化碳，其负极的电极反应式为CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。

故答案为：负极；N电极；CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。