Question

工業上一般在恒容密閉容器中可以采用下列反應合成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）  ΔH

（1）根據圖1請寫出合成甲醇的熱化學方程式                                    
（熱量用E₁、E₂或E₃表示）。
（2）該反應的逆反應速率隨時間變化的關系如上圖2。t₁時改變了某種條件，改變的條件可能是                       。
（3）判斷反應達到平衡狀態的依據是       (填字母序號，下同)。

A．2v(H2)(逆) =v(CO)(正)

B．混合氣體的密度不變

C．混合氣體的平均相對分子質量不變

D．CH3OH、CO、H2的濃度都不再發生變化

E．容器內CO、H₂、CH₃OH的濃度之比為1:2:1  
（4）在一定溫度下，若將4a mol H₂和2amol CO放入2L的密閉容器中，充分反應后測得CO的轉化率為50％，則該反應的平衡常數為         。若此時再向該容器中投入a mol CO、2amol H₂和amol CH₃OH，判斷平衡移動的方向是     （“正向移動”“逆向移動”或“不移動”）；與原平衡相比，CO的物質的量濃度    （填“增大”、“不變”或“減小”）。
（5）某甲烷燃料電池是以熔融碳酸鹽為電解質，CH₄為燃料，空氣為氧化劑，稀土金屬材料做電極。為了使該燃料電池長時間穩定運行，電池的電解質組成應保持穩定，電池工作時必須有部分A物質參加循環（見右圖）。A物質的化學式是_________；該原電池的負極反應式可表示為                                    。

Answer 1

（1）CO(g) + 2H₂(g) CH₃OH(g) ΔH=（E₁－E₃）或－（E₃－E₁）kJ?mol^-1
（2分，沒寫物質狀態不給分，不寫單位不扣分）
（2）加壓、等倍增加反應物和生成物、增加甲醇濃度、升高溫度、使用催化劑等（2分）（任答一個合理答案給分。注：t₁時刻不能確認是否平衡）
（3）CD（2分，見錯不給分）
（4）（2分）正向移動（2分）增大（1分）
（5）A為CO₂（2分）CH₄+4CO₃^2-－8e^- =5CO₂+2H₂O （2分）

試題分析：（1）由圖中可知，E₁為斷裂化學鍵所需要的能量，E₃為形成化學鍵時所釋放的能量，故每生成1mol甲醇的反應熱為（E₁—E₃）KJ/mol。
（2）從圖2曲線上可以看出，t1時刻前和t1時刻后，逆反應速率瞬間增大，可使反應速率增大的因素有增壓、升溫、加催化劑和增大物質濃度。
（3）判斷反應是否達到平衡的依據是正逆反應速率相等和各物質濃度保持不變。在該反應中，，即，故A項不能說明反應已達到平衡狀態；該反應在恒容容器中進行，反應物生成物都是氣態，因此氣體總質量和總體積一直不變，密度也一直不變，因此B項也不能說明反應達到平衡狀態；當物質的質量以克為單位時，平均相對分子質量在數值上等于平均摩爾質量，，因為該反應是一個氣體分子數目發生變化的反應，氣體的物質的量也會發生變化，只有當反應達到平衡后，氣體的物質的量才不再變化，即平均相對分子質量不再變化，因此C項可說明反應達到平衡狀態；D項各物質濃度不再變化，反應達到平衡狀態；反應達到平衡時，各物質的百分含量一定，物質間的比例一定，但數值不一定是1:2:1，E項不能說明反應達到平衡狀態。
（4）反應消耗CO的物質的量：2a×50%=amol。
CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)
初始量：2amol   4amol    0
變化量：amol    2amol    amol
平衡量：amol    2amol    amol

若再向該容器中投入a mol CO、2amol H₂和amol CH₃OH，相當于增大氣體壓強，平衡正向移動。與原平衡相比，因為增加了CO的量，但容器容積未變，所以CO的濃度增大。
（5）該電池為甲烷燃料電池，電池總反應為CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O，電池的電解質為碳酸鹽，且電解質溶液組成保持穩定，所以循環的物質應為CO₂。燃料電池負極應通入燃料，故負極反應式為：CH₄+4CO₃^2-－8e^- =5CO₂+2H₂O。