能源短缺是人类面临的重大问题.甲醇是一种可再生能源,具有广泛的开发和应用前景.
(1)工业上一般采用下列两种反应合成甲醇:
反应I:CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g)△H1
反应II:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)△H2
下表所列数据是反应Ⅱ在不同温度下的化学平衡常数(K)
温度 | 250℃ | 300℃ | 350℃ |
K | 2.041 | 0.270 | 0.012 |
②若容器容积不变,下列措施可增加甲醇产率的是______,
A.升高温度 B.将CH3OH(g)从体系中分离 C.使用合适的催化剂
D.充入He,使体系总压强增大 E.按原比例再充入 CO和 H2
③某温度下,将2mol CO和6mol H2充入2L的恒容密闭容器中,充分反应,达到平衡后,测得c(CO)=0.2mol•L-1,则CO的转化率为______,此时的温度为______(从上表中选择);
④恒温下,1mol CO和nmol H2在一个容积可变的密闭容器中反应达到平衡后,生成a molCH3OH.若起始时放入3molCO+3nmolH2,则达平衡时生成CH3OH______mol.
(2)某实验小组依据甲醇燃烧的反应原理,设计如图所示的原电池装置.
①该电池工作时,OH-向______极移动(填“正”或“负”),
②该电池正极的电极反应式为______.
(1)①表中数据分析,随温度增大,平衡常数减小,说明平衡逆向进行,根据平衡移动原理,升温向吸热反应方向进行,故正向是放热反应,△H2<0;故答案为:<;
②CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)△H2<0;若容器容积不变,可增加甲醇产率的条件分析:
A、升高温度平衡逆向进行,甲醇产率减小,故A不符合;
B、将CH3OH(g)从体系中分离,平衡正向进行,甲醇产增大,故B符合;
C、使用合适的催化剂,改变反应速率,不改变化学平衡,甲醇产率不变,故C不符合;
D、充入He,使体系总压强增大,分压不变,平衡不动,故D不符合;
E、按原比例再充入 CO和 H2,相当于增大体系压强,平衡向气体体积减小的方向进行,即正向进行,甲醇产率增大,故E符合;
故答案为:BE;
③某温度下,将2mol CO和6mol H2充入2L的恒容密闭容器中,充分反应,达到平衡后,测得c(CO)=0.2mol•L-1,则依据平衡三段式列式计算:
CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g)
起始量(mol) 2 6 0
变化量(mol) 1.6 3.2 1.6
平衡量(mol) 0.4 2.8 1.6
CO的转化率=
×100%=80%;1.6mol 2mol
平衡后物质的平衡浓度为:C(CO)=0.2mol/L;C(H2)=1.4mol/L;C(CH3OH)=0.8mol/L;
平衡常数K=
=C(CH3OH) C(CO)×C2(H2)
=2.041L/mol;依据图表可知温度为250°C;0.8 0.2×1.42
故答案为:80%; 250℃;
④恒温下,1mol CO和nmol H2在一个容积可变的密闭容器中反应达到平衡后,生成a molCH3OH.若起始时放入3molCO+3nmolH2,依据恒温恒压容器中达到的平衡是等效平衡,所以容器中生成甲醇物质的量为3a;故答案为:3a;
(2)①依据甲醇燃烧的反应原理,结合如图所示的原电池装置,负极上失电子发生氧化反应,正极上得到电子发生还原反应;一般燃料在负极上发生反应,氧气再正极发生还原反应;
负极电极反应为:CH3OH+8OH--6e-=CO32-+6H2O;阴离子移向负极;正极电极反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-;
故答案为:负;O2+2H2O+4e-=4OH-;