工业上可由天然气为原料制备甲醇，也可由水煤气合成甲醇．（1）已知2CH4（g）+O2（g）═2CO（g）+4H2（g）△H=akJ/mol；CO（g）+2H2（g）=CH3OH（g）△H=bkJ/mol．试写出由CH4和O2制取甲醇的热化学方

Question

工业上可由天然气为原料制备甲醇，也可由水煤气合成甲醇．
（1）已知2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol；CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol．试写出由CH₄和O₂制取甲醇的热化学方程式：___．
（2）还可以通过下列反应制备甲醇：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．图甲是反应时CO（g）和CH₃OH（g）的浓度随时间t的变化情况．从反应开始到平衡，用CO表示平均反应速率v（CO）=___，该反应的平衡常数表达式为___．

（3）在一容积可变的密闭容器中充入10mol CO和20mol H₂，CO的平衡转化率随温度（T）、压强（P）的变化如乙图所示．
①下列说法不能判断该反应达到化学平衡状态的是___．（填字母）
A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍
B．H₂的体积分数不再改变
C．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等
D．体系中气体的平均摩尔质量不再改变
②比较A、B两点压强大小P_A___P_B（填“>、<、=”）．
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L．如果反应开始时仍充入10molCO和20molH₂，则在平衡状态B时容器的体积V（B）=___L．
（4）以甲醇为燃料，氧气为氧化剂，KOH溶液为电解质溶液，可制成燃料电池（电极材料为惰性电极）．
①若KOH溶液足量，则电池负极反应的离子方程式为___．
②若电解质溶液中KOH的物质的量为1.0mol，当有0.75mol甲醇参与反应时，电解质溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是___．

Answer 1

（1）已知：①2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=bkJ/mol
根据盖斯定律，①+②×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol，
故答案为：2CH₄（g）+O₂（g）=2CH₃OH（g）△H=（a+2b）kJ/mol；
（2）随反应进行，CO浓度减小、甲醇浓度增大，由图可知，10min到达平衡，CO浓度变化为（0.9-0.15）mol/L=0.75mol/L，则v（CO）=(0.75mol/L)/(10min)=0.075mol•L^-1•min^-1；
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）的化学平衡常数表达式K=(c(CH3OH))/(c(CO)×c2(H2))，
故答案为：0.075mol•L^-1•min^-1；(c(CH3OH))/(c(CO)×c2(H2))；
（3）①A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍，均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，不能说明到达平衡，当H₂的消耗速率等于CH₃OH的消耗速率的2倍时，反应到达平衡，故A错误；
B．H₂的体积分数不再改变是化学平衡的特征，达到了平衡，故B正确；
C．氢气、CO的转化率与它们起始物质的量有关，平衡时不一定相等，若起始物质的量之比等于化学计算量之比，转化率始终相等，故C错误；
D．混合气体总质量不变，随反应进行，混合气体总物质的量减小，平均摩尔质量增大，混合气体气体的平均摩尔质量不再改变，说明达到了平衡，故D正确．
故选：AC；
②温度一定时，正反应为气体体积减小的反应，增大压强，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，故压强P_A<P_B，
故答案为：<；
③若达到化学平衡状态A时，容器的体积为20L，CO转化率为50%，则转化的CO为10mol×50%=5mol，则：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10     20         0
变化量（mol）：5      10         5
平衡量（mol）：5     10         5
平衡常数K=(c(CH3OH))/(c(CO)×c2(H2))=((5)/(20))/((5)/(20)×((10)/(20))2)=4，
如果反应开始时仍充入10molCO和20molH₂，在平衡状态B时CO转化率为80%，则转化的CO为10mol×80%=8mol，则：
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始量（mol）：10    20       0
变化量（mol）：8     16       8
平衡量（mol）：2    4       8
设体积为VL，则((8)/(V))/((2)/(V)×((4)/(V))2)=4，解得V=4，
故答案为：4；
（4）①原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②当有0.75mol甲醇参与反应时，产生的二氧化碳是0.75mol，和1mol氢氧化钾反应，根据元素守恒：n （K₂CO₃）+n （KHCO₃）=0.75mol，2n （K₂CO₃）+n（KHCO₃）=1mol，联立解得：n （K₂CO₃）=0.25mol，n （KHCO₃）=0.5mol，溶液呈碱性，溶液中各种离子的物质的量浓度由大到小的顺序是：c（K⁺）>c（HCO₃^-）>c（CO₃^2-）>c（OH^-）>c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）>c（HCO₃^-）>c（CO₃^2-）>c（OH^-）>c（H⁺）．