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微专题十三 化学反应原理综合题型研究
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(本专题对应学生用书第7383页)
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1．(2011·新课标Ⅰ卷)科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。已知H2(g)、CO(g)和CH3OH(l)的燃烧热ΔH分别为-285.8 kJ·mol-1、-283.0 kJ·mol-1和-726.5 kJ·mol-1。请回答下列问题：
(1) 用太阳能分解10 mol水消耗的能量是 kJ。
(2) 甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为 。
(3) 在容积为2 L的密闭容器中，由CO2和H2合成甲醇，在其他条件不变的情况下，考察温度对反应的影响，实验结果如下图所示(注：T1、T2均大于300 ℃)。
下列说法正确的是 (填序号)。
①温度为T1时，从反应开始到平衡，生成甲醇的平均速率为v(CH3OH)= mol·L-1·min-1
②该反应在T1时的平衡常数比T2时的小
③该反应为放热反应
④处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时增大
(4) 在T1温度时，将1 mol CO2和3 mol H2充入一密闭恒容容器中，充分反应达到平衡后，若CO2的转化率为α，则平衡时容器内的压强与起始压强之比为 。
(5) 在直接以甲醇为燃料的电池中，电解质溶液为酸性，负极的反应式为 、
正极的反应式为 。
理想状态下，该燃料电池消耗1 mol甲醇所能产生的最大电能为702.1 kJ，则该燃料电池的理论效率为 (燃料电池的理论效率是指电池所产生的最大电能与燃料电池反应所能释放的全部能量之比)。
〖答案〗(1) 2 858
(2) CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l)
ΔH=-443.5 kJ·mol-1
(3) ③④
(4) 1-
(5) 答案2CH3OH+2H2O-12e-2CO2↑+12H+
3O2+12H++12e-6H2O 96.6%
〖解析〗(1) 由题所给信息可知：
H2(g)+O2(g)H2O(l)
ΔH=-285.8 kJ·mol-1 ①
CO(g)+O2(g)CO2(g)
ΔH=-283.0 kJ·mol-1 ②
CH3OH(l)+O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-726.5 kJ·mol-1 ③
由方程①可知，H2O(l)H2(g)+O2(g) ΔH=+285.8 kJ·mol-1，故分解10 mol水需要吸收2 858 kJ的能量。
(2) ③-②即可得到目标反应：CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l) ΔH=-443.5 kJ·mol-1。
(3) CO2和H2合成甲醇的化学方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)，由图像可知B点先达到平衡，因此温度T2>T1，温度高平衡时甲醇的物质的量反而低，说明正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，不利于甲醇的生成，平衡常数减小，即②错、③正确；温度为T1时，从反应开始到平衡，生成甲醇的物质的量为nA mol，此时甲醇的物质的量浓度为 mol·L-1，所以生成甲醇的平均速率为v(CH3OH)= mol·L-1·min-1，①错；因为温度T2>T1，所以A点的反应体系从T1变到T2时，平衡会逆向移动，即n(CH3OH)减小而n(H2)增大，④正确。
(4) CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)
起始/mol： 1 3 0 0
转化/mol： α 3α α α
平衡/mol： 1-α 3-3α α α
所以平衡时压强与起始压强之比为(4-2α)∶4 =(2-α)∶2。
(5) 在甲醇燃料电池中，甲醇失去电子，氧气得到电子，所以负极的电极反应式为2CH3OH-12e-+2H2O2CO2↑+12H+ ，正极的电极反应式为3O2+12e-+12H+6H2O；甲醇的燃烧热是-726.5 kJ·mol-1，所以该燃料电池的理论效率为×100%=96.6%。
2．(2012·新课标Ⅰ卷)
Ⅰ. (26题节选)与MnO2-Zn电池类似，K2FeO4-Zn也可以组成碱性电池，K2FeO4在电池中作为正极材料，其电极反应式为 ，该电池总反应的离子方程式为 。
Ⅱ.(27题节选)光气(COCl2)在塑料、制革、制药等工业中有许多用途，工业上采用高温下将CO与Cl2在活性炭催化下合成。
(1) 工业上利用天然气(主要成分为CH4)与CO2进行高温重整制备CO，已知CH4、H2和CO的燃烧热(ΔH)分别为-890.3 kJ·mol-1、-285.8 kJ·mol-1和-283.0 kJ·mol-1，则生成1 m3(标准状况)CO所需热量为 。
(2) COCl2的分解反应为COCl2(g)Cl2(g)+CO(g) ΔH=+108 kJ·mol-1。反应体系达到平衡后，各物质的浓度在不同条件下的变化如下图所示(第10 min到14 min的COCl2浓度变化曲线未示出)。
①计算反应在第8 min时的平衡常数K= 。
②比较第2 min反应温度T(2)与第8 min反应温度T(8)的高低：T(2) (填“<”、“>”或“=”)T(8)。
③若12 min时反应于温度T(8)下重新达到平衡，此时c(COCl2)= mol·L-1。
④比较产物CO在2~3 min、5~6 min和12~13 min时平均反应速率[平均反应速率分别以v(23)、v(56)、v(1213)表示]的大小： 。
⑤比较反应物COCl2在5~6 min和15~16 min时平均反应速率的大小：v(5~6) (填“<”、“>”或“=”)v(15~16)，原因是 。
〖答案〗Ⅰ. Fe+3e-+4H2OFe(OH)3↓+5OH-
2Fe+8H2O+3Zn2Fe(OH)3+3Zn(OH)2+4OH-
Ⅱ. (1) 5.52×103 kJ
(2) ①0.234 ②< ③0.031 ④v(5~6)>v(2~3)=v(12-13) ⑤> 在相同温度时，该反应的反应物浓度越高，反应速率越大
〖解析〗Ⅰ. 正极发生得电子的还原反应，碱性条件下，Fe变成Fe(OH)3，得到3个电子，根据电荷守恒，后面加5个OH-，依据H原子守恒，前面加4个H2O，即可得到正极的电极反应式为Fe+3e-+4H2OFe(OH)3↓+5OH- ①；负极反应式为Zn-2e-+2OH-Zn(OH)2 ②，根据得失电子守恒，①×2+②×3即可得到电池总反应式。
Ⅱ. (1) 根据燃烧热概念可以写出：
①CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)
ΔH=-890.3 kJ·mol-1
②H2(g)+O2(g)H2O(l)
ΔH=-285.8 kJ·mol-1
③CO(g)+O2(g)CO2(g)
ΔH=-283.0 kJ·mol-1
①-②×2-③×2，即可得到目标反应：CH4(g)+ CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247.3 kJ·mol-1，生成1 m3 CO所需热量为×247.3 kJ·mol-1×≈5 520 kJ。
(2) ①c(Cl2)=0.11 mol·L-1、c(CO)=0.085 mol·L-1、c(COCl2)=0.04 mol·L-1，代入K计算公式即可得到答案。②第4 min时，Cl2与CO的浓度均增大，再结合此反应正向吸热，故第4 min改变的条件一定是升高温度，故T(2)<T(8)。③用平衡常数求解，此温度下K=0.234=，可求得答案。④根据v(CO)=可知v(2~3)= v(12~13)=0。⑤由图像可知上面的两个曲线是生成物浓度变化曲线、下面的曲线是COCl2浓度变化曲线，v(COCl2)= ，5~6 min时的Δc(COCl2)大于 15~16 min 时的，所以v(5~6)>v(15~16)；应从影响反应速率的因素入手分析，由图像可知4~18 min温度相同，只能从浓度角度分析。
3．(2013·新课标Ⅰ卷)二甲醚(CH3OCH3)是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气(组成为H2、CO和少量CO2)直接制备二甲醚，其中主要过程包括下列四个反应：
甲醇合成反应：
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
ΔH1=-90.1 kJ·mol-1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)
ΔH2=-49.0 kJ·mol-1
水煤气变换反应：
③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
ΔH3=-41.1 kJ·mol-1
二甲醚合成反应：
④2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
ΔH4=-24.5 kJ·mol-1
回答下列问题：
(1) 分析二甲醚合成反应④对CO转化率的影响： 。
(2) 由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为 。根据化学反应原理，分析增加压强对直接制备二甲醚的反应的影响： 。
(3) 有研究者在催化剂(含Cu-Zn-Al-O和Al2O3)、压强在5.0 MPa条件下，由H2和CO直接制备二甲醚，结果如下图所示。其中CO转化率随温度升高而降低的原因是 。
(4) 二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·h·kg-1)。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为 。一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生 个电子的电量，该电池理论输出电压为1.20 V，能量密度E= (列式计算，能量密度=，1 kW·h=3.6×106 J)。
〖答案〗(1) 消耗甲醇，促进甲醇合成反应①平衡向右移动，CO转化率增大；生成的水通过水煤气变换反应③消耗部分CO
(2) 2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O ΔH=-204.7 kJ·mol-1 该反应分子数减少，压强增加使平衡右移，CO和H2转化率增大，CH3OCH3产率增加；压强增加，反应速率加快
(3) 反应放热，温度升高，平衡左移
(4) CH3OCH3-12e-+3H2O2CO2↑+12H+ 12
÷(3.6×106 J·kW-1·h-1)=8.39 kW·h·kg-1
〖解析〗(1) 消耗甲醇，促进甲醇合成反应①平衡向右移动，CO转化率增大；生成的水通过水煤气变换反应③消耗部分CO。(2) 根据盖斯定律，①×2+④即可得到目标反应：2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH=-204.7 kJ·mol-1。根据化学反应原理，增加压强对直接制备二甲醚的反应的影响应该从对反应速率和平衡的影响两方面答题：该反应是气体体积减小的反应，增大压强，平衡正向移动，CH3OCH3产率增加；压强增大，反应速率加快。
(3) 对转化率的影响应该从平衡移动角度答题：该反应的正反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动。
(4) 在酸性条件下，二甲醚直接燃料电池的负极反应是二甲醚失去电子，根据化合物化合价代数和为0的原则二甲醚中碳元素的化合价为-2价，CO2中碳元素的化合价为+4价，化合价升高了6，二甲醚分子中有两个碳原子，一个二甲醚分子失去12个电子；酸性电池，CH3OCH3失去12e-变成CO2，根据O守恒，酸性介质中H2O提供O，生成H+，配平即可。根据能量密度公式：
E=÷(3.6×106 J·kW-1·h-1)=8.39 kW·h·kg-1。
4．(2014·新课标Ⅰ卷)
Ⅰ. (27题节选)(H3PO2)也可以通过电解的方法制备。工作原理如下图所示(阳膜和阴膜分别只允许阳离子、阴离子通过)。
(1) 写出阳极的电极反应式： 。
(2) 分析产品室可得到H3PO2的原因： 。
(3) 早期采用“三室电渗析法”制备H3PO2，将“四室电渗析法”中阳极室的稀硫酸用H3PO2稀溶液代替，并撤去阳极室与产品室之间的阳膜，从而合并了阳极室与产品室，其缺点是产品中混有 杂质，该杂质产生的原因是 。
Ⅱ. (28题节选)乙醇是重要的有机化工原料，可由乙烯气相直接水合法或乙烯间接水合法生产。
(1) 已知：
甲醇脱水反应2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH1=-23.9 kJ·mol-1 ①
甲醇制烯烃反应2CH3OH(g)C2H4 (g)+2H2O(g) ΔH2=-29.1 kJ·mol-1 ②
乙醇异构化反应CH3CH2OH(g)CH3OCH3(g) ΔH3=+50.7 kJ·mol-1 ③
则乙烯气相直接水合反应C2H4 (g)+H2O(g)C2H5OH(g)的ΔH= kJ·mol-1。
(2) 下图为气相直接水合法中乙烯的平衡转化率与温度、压强的关系[其中n(H2O)∶n(C2H4)=1∶1]。
①列式计算乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数Kp= (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。
②图中压强p1、p2、p3、p4的大小顺序为 ，理由是 。
③气相直接水合法常采用的工艺条件为：磷酸/硅藻土为催化剂，反应温度290 ℃，压强6.9 MPa，n(H2O)∶n(C2H4)=0.6∶1。乙烯的转化率为5%，若要进一步提高乙烯的转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以采取的措施有 、 。
〖答案〗Ⅰ.(1) 2H2O-4e-O2↑+4H+
(2) 由于阳极室OH-放电，造成H+浓度增大，穿过阳膜扩散至产品室，而原料室中的H2P穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成H3PO2
(3) H3PO4(或P) H2P或H3PO2被氧化
Ⅱ.(1) -45.5
(2) ① 0.07 ②p1<p2<p3<p4 反应分子数减少，相同温度下，增大压强，平衡正向移动，乙烯转化率提高
③将产物乙醇液化移去 增加n(H2O)∶n(C2H4)
〖解析〗Ⅰ.(1) 在阳极由于阴离子中OH-的放电能力最强，所以电极反应为2H2O-4e-O2↑+ 4H+。(2) 在产品室之所以得到H3PO2是因为阳极室的H+穿过阳膜扩散到产品室，原料室中的H2P穿过阴膜扩散至产品室，二者反应生成。(3) 合并了阳极室与产品室，由于H3PO2 具有还原性，则阳极室产生O2 将H2P或H3PO2氧化。
Ⅱ.(1) ①-②-③即可得到目标反应，ΔH=-23.9-(-29.1)-50.7=-45.5 kJ·mol-1。
(2) ①A点时乙烯的平衡转化率为20%，设乙烯的物质的量为1 mol。
C2H4(g) + H2O(g)C2H5OH(g)
起始/mol： 1 1 0
转化/mol： 0.2 0.2 0.2
平衡/mol： 0.8 0.8 0.2
乙烯水合制乙醇反应在图中A点的平衡常数为
Kp= ====0.07
②该反应的正反应是气体体积减小的反应，所以增大压强，平衡正向移动，反应物转化率增大，所以有p1<p2<p3<p4。
③若要进一步提高乙烯的转化率，除了可以适当改变反应温度和压强外，还可以采取的措施是改变物质的浓度，如从平衡体系中将产物乙醇分离出去，或增大水蒸气的浓度，改变其与乙烯的物质的量之比等。
5．(2015·新课标Ⅰ卷)碘及其化合物在合成杀菌剂、药物等方面具有广泛用途。回答下列问题：
(1) 大量的碘富集在海藻中，用水浸取后浓缩，该浓缩液中含有I-、Cl-等离子，取一定量的浓缩液，向其中滴加AgNO3溶液，当AgCl开始沉淀时，溶液中为 ，已知Ksp(AgCl)=1.8×10-10、Ksp(AgI)=8.5×10-17。
(2) 已知反应2HI(g)H2(g)+I2(g)的ΔH=+11 kJ·mol-1，1 mol H2(g)、1 mol I2(g)分子中化学键断裂时分别需要吸收436 kJ、151 kJ的能量，则1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为 kJ。
(3) Bodensteins研究了下列反应：2HI(g)H2(g)+I2(g)在716 K时，气体混合物中碘化氢的物质的量分数x(HI)与反应时间t的关系如下表。
t/min
0
20
40
60
80
120
x(HI)
1
0.91
0.85
0.815
0.795
0.784
x(HI)
0
0.60
0.73
0.773
0.780
0.784
①根据上述实验结果，该反应的平衡常数K的计算式为 。
②上述反应中，正反应速率为v正=k正·x2(HI)，逆反应速率为v逆=k逆·x(H2)·x(I2)，其中k正、k逆为速率常数，则k逆为 (以K和k正表示)。若k正=0.0027 mi，在t=40 min时，v正= min-1。
③由上述实验数据计算得到v正~x(HI)和v逆~x(H2)的关系如下图所示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡，相应的点分别为 (填字母)。
〖答案〗(1) 4.7×10-7 (2) 299
(3) ①K= ② 1.95×10-3 ③AE
〖解析〗(1) 当AgCl开始沉淀时，说明溶液中的c(I-)和c(Cl-)均已达到饱和状态，因此可以根据溶度积表达式进行计算，溶液中===4.7×10-7。
(2) 设1 mol HI(g)分子中化学键断裂时需吸收的能量为x kJ，则2x kJ-436 kJ-151 kJ=11 kJ，解得x=299。
(3) ①表中第二行由HI分解建立平衡，表中第三行向逆反应进行建立平衡，由第二行数据可知，平衡时HI物质的量分数为0.784，则氢气、碘蒸气总物质的量分数为1-0.784=0.216，而氢气与碘蒸气物质的量分数相等均为0.108，反应前后气体体积不变，用物质的量分数代替浓度计算平衡常数，则平衡常数K==。②到达平衡时，正、逆反应速率相等，则k正·x2(HI)=k逆·x(H2)·x(I2)，则k逆=k正×=。在t=40 min时，正反应建立平衡的x(HI)=0.85，则v正=k正·x2(HI)=0.002 7 min-1×0.852=1.95×10-3 min-1。③该反应是吸热反应，升高温度，正、逆反应的速率都加快，平衡正移，x(HI)减小、x(H2)增大，重新达到平衡，A、E点符合。因此反应重新达到平衡，v正~x(HI)对应的点为A，v逆~x(H2)对应的点为E。
【考题分析】
年份
试题
知识点
分值
2011
第27题
反应热计算、热化学方程式的书写、平衡移动、平衡计算、燃料电池及相关计算
15分
2012
第26题
电极反应式、电池总反应式的书写
4分
第27题
反应热计算、平衡常数计算、化学反应速率、化学平衡移动
14分
2013
第26题
电池总反应式的书写
2分
第27题
平衡移动原理、平衡图像、热化学方程式的书写、燃料电池电极反应式的书写及相关计算
15分
2014
第26题
电解原理
5分
第27题
反应热计算、平衡常数计算、平衡移动原理
13分
2015
第28题
反应热计算、平衡常数计算、化学反应速率、化学平衡
13分
【备考策略】
由上表不难看出，在全国近五年的高考中，主要考查反应热计算、反应速率计算、化学平衡移动及化学平衡计算、原电池和电解池工作原理以及电极反应式的书写，涉及的知识点比较全面，而且常考常新。高考每年都有平衡常数计算，其中通过平衡图像综合考查平衡移动原理，以组合形式、一题多角度来考查化学反应原理相关知识是考查重点。预计化学平衡常数计算、电极反应式的书写、平衡移动原理依然是今后考查的热点。
1．(2015·河北唐山一模)N2H4通常用作火箭的高能燃料，N2O4作氧化剂。请回答下列问题：
已知：
①N2(g)+2O2(g)2NO2(g)
ΔH=+a kJ·mol-1
②N2H4(g)+O2(g)N2(g)+2H2O(g)
ΔH=-b kJ·mol-1
③2NO2(g)N2O4(g)
ΔH=-c kJ·mol-1
(1) 写出气态肼在气态四氧化二氮中燃烧生成氮气和气态水的热化学方程式： 。
(2) N2、H2合成氨气为放热反应。800 K时向下列起始体积相同的密闭容器中充入1 mol N2、3 mol H2，如图1，甲容器在反应过程中保持压强不变，乙容器保持体积不变，丙是绝热容器，三容器各自建立化学平衡。
①达到平衡时，平衡常数：K甲 K乙 K丙(填“>”、“<”或“=”)。
②达到平衡时N2的浓度：c(N2)甲 c(N2)乙 c(N2)丙(填“>”、“<”或“=”)。
③对甲、乙、丙三容器的描述，以下说法正确的是 (填字母)。
A. 乙容器气体密度不再变化时，说明此反应已达到平衡状态
B. 在甲中充入稀有气体He，化学反应速率加快
C. 向甲容器中充入氨气，正反应速率减小，逆反应速率增大
D. 丙容器温度不再变化时说明已达平衡状态
(3) 氨气通入如图2电解装置可以辅助生产NH4NO3，该电解池的阴极反应式为 。
图1
图2
〖答案〗(1) 2N2H4(g)+N2O4(g)3N2(g)+4H2O(g)
ΔH=-(a-c+2b) kJ·mol-1
(2) ①= > ②> < ③CD
(3) NO+5e-+6H+N+H2O
〖解析〗(1) 根据盖斯定律可知②×2-①-③得2N2H4(g)+N2O4(g)3N2(g)+4H2O(g) ΔH=-(a-c+2b)kJ·mol-1。
(2) ①甲、乙容器温度不变，平衡常数不变，丙容器绝热，温度升高平衡逆向进行，平衡常数减小，故K甲=K乙>K丙。②甲容器在反应过程中保持压强不变，故容器体积减小，氮气的浓度增大；乙容器保持体积不变，随着反应的进行，氮气的浓度减小；丙容器绝热，温度升高平衡逆向进行。故达到平衡时N2的浓度：c(N2)甲>c(N2)乙<c(N2)丙。③密度=，质量一定，体积一定，密度始终不变，故乙容器气体密度不再变化时，不能说明此反应已达到平衡状态，故A错误；在甲中充入稀有气体He，体积增大，原体系的压强减小，化学反应速率减慢，故B错误；向甲容器中充入氨气，体积增大，氢气和氮气的浓度减小，氨气的浓度增大，正反应速率减小，逆反应速率增大，故C正确；丙容器绝热，丙容器温度不再变化时说明已达平衡状态，故D正确。
(3) 电解NO制备NH4NO3，阳极反应式为NO-3e-+2H2ON+4H+，阴极反应式为NO+5e-+6H+N+H2O。
2．(2015·河南开封二模)开发新能源是解决环境污染的重要举措，其中甲醇、甲烷是优质的清洁燃料，可制作燃料电池。
(1) 已知：①2CH3OH(l)+3O2(g)2CO2(g)+4H2O(g) ΔH1=-1274.0 kJ·mol-1
②2CO(g)+O2(g)2CO2(g)
ΔH2=-566.0 kJ·mol-1
③H2O(g)H2O(l) ΔH3=-44 kJ·mol-1
甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式为 。
(2) 生产甲醇的原料CO和H2可由以下反应得到：
CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH>0
①一定条件下CH4的平衡转化率与温度、压强的关系如下图。则p1 (填“<”、“>”或“=”，下同)p2。A、B、C三点处对应平衡常数(KA、KB、KC)的大小顺序为 。
②100 ℃时，将1 mol CH4和2 mol H2O通入容积为1 L的定容密闭容器中发生反应，能说明该反应已经达到平衡状态的是 (填字母)。
a. 容器的压强恒定
b. 容器内气体密度恒定
c. 3v正(CH4)=v逆(H2)
d. 单位时间内消耗0.1 mol CH4的同时生成0.3 mol H2
(3) 甲醇燃料电池(简称DMFC)由于结构简单、能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。DMFC工作原理如下图所示。通入a气体的电极是原电池的 (填“正”或“负”)极，其电极反应式为 。
(4) 某研究小组将两个甲烷燃料电池串联后作为电源，进行饱和氯化钠溶液电解实验，如图所示U形管中氯化钠溶液的体积为800 mL。闭合K后，若每个电池甲烷用量均为0.224 L(标准状况)，且反应完全，则理论上通过电解池的电量为 (列式计算。法拉第常数F=9.65×104 C·mol-1)，若产生的气体全部逸出，电解后溶液混合均匀，电解后U形管中溶液的pH为 。
〖答案〗(1) CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l)
ΔH=-442 kJ·mol-1
(2) ①< KA<KB<KC ②ac
(3) 负 CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+
(4) ×8×9.65×104 C·mol-1=7.72×103 C 13
〖解析〗(1) 根据盖斯定律，将已知反应(①-②+③×4)÷2即可得到CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l)，所以该反应的ΔH=(-1 274.0 kJ·mol-1+566.0 kJ·mol-1-44.0 kJ·mol-1×4)÷2=-442 kJ·mol-1，即CH3OH(l)+O2(g)CO(g)+2H2O(l)ΔH=-442 kJ·mol-1。
(2) ①在图中的200 ℃位置，平行与纵轴画一条虚线，可见CH4的转化率p1时>p2时，在CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)反应中，生成物的气体体积大于反应物，压强增大时平衡逆向移动，故p1<p2；正反应吸热，随温度升高，平衡正向移动，化学平衡常数K增大，所以KA<KB<KC。②可逆反应达到平衡状态时，正、逆反应速率相等，各组分浓度保持不变。反应前后气体体积不同，所以容器的压强恒定时反应达到平衡状态，故a正确；容器体积不变，气体质量不变，所以容器内气体密度始终恒定，故b错误；3v正(CH4)=v逆(H2)，说明正、逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故c正确；单位时间内消耗0.1 mol CH4的同时生成0.3 mol H2，都是正反应速率，不能说明反应达到平衡状态，故d错误。
(3) 根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据电子和氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应，负极反应式为 CH3OH-6e-+H2OCO2↑+6H+，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O2+4e-+4H+2H2O。
(4) 电解氯化钠溶液的化学方程式为2NaCl+2H2O2NaOH+H2↑+Cl2↑，可知关系式1 mol CH4~8 mol e-~8 mol NaOH，故若每个电池甲烷通入量为0.224 L(标准状况)，生成0.08 mol NaOH，c(NaOH)==0.1 mol·L-1，pH=13；电解池通过的电量为×8×9.65×104 C·mol-1=7.72×103 C(题中虽然有两个燃料电池，但电子的传递量只能用一个池的甲烷量计算)。
1. 热化学方程式书写和反应热计算防错机制有哪些?
2. 如何利用化学平衡常数判断反应进行的方向?
【能力提升】
能力提升
化学平衡
[平衡常数K]
1. K与温度关系
热效应
温度变化
K的变化
热效应
温度变化
K的变化
吸热反应
升温
增大
放热反应
升温
减小
降温
减小
降温
增大
2. K的应用——判断反应进行的方向
向容器中同时充入反应物和生成物，判断反应进行的方向时，用Q与K的相对大小来判断。
Q=K时，平衡状态，此时v(正)=v(逆)；
Q>K时，反应逆向进行，此时v(逆)>v(正)；
Q<K时，反应正向进行，此时v(正)> v(逆)。
[等效平衡的含义与应用]
1. 三种等效平衡模型
等效模型
实例
起始投料
平衡时等量
备注
恒温恒容系数不等
N2+3H22NH3
甲：1 mol N2+3 mol H2
乙：2 mol NH3
(转化为同种物质完全等同)
两容器中各组分的n、c、w等同
α(N2)+α(NH3)=1
恒温恒容系数相等
I2+H22HI
甲：1 mol I2+1 mol H2
乙：2 mol I2+2 mol H2(或4 mol HI) (成比例)
两容器中各组分w等同，n、c成倍数关系
恒温恒压
N2+3H22NH3
甲：1 mol N2+3 mol H2
乙：2 mol N2+6 mol H2 (或4 mol NH3)(成比例)
两容器中各组分w、c等同，n成倍数关系
2. 等效平衡的应用
(1) 同一反应，向两容器中充入不同反应物或生成物时，首先转化为同种物质，再结合等效平衡的模型解题。
例如：T1 ℃，向2 L的恒容密闭容器中充入7.6 mol NO和3.8 mol O2，发生反应①2NO(g)+O2(g)2NO2(g)、②2NO2(g)N2O4(g)，达到平衡时，测得c(NO2)=1.5 mol·L-1，c(N2O4)=0.9 mol·L-1。若起始时向该容器中充入3.6 mol NO2和2.0 mol N2O4， T1 ℃达到平衡时，N2O4的转化率为 。
分析：若将3.6 mol NO2和2.0 mol N2O4转化为NO和O2，则相当于7.6 mol NO和3.8 mol O2，所以两个平衡是等效的，因而达到平衡时容器中c(N2O4)=0.9 mol·L-1，起始时c(N2O4)=1.0 mol·L-1，因而N2O4的转化率为10%。
(2) 不符合等效平衡的，先建立等效平衡，再回归题意。
①两个体积均为1 L的恒温恒容密闭容器甲和乙，向甲中充入1 mol N2和3 mol H2，向乙中充入2 mol N2和6 mol H2，在相同温度下均达到平衡，比较两平衡体系中某些组分的物质的量、物质的量浓度、百分含量的大小。
分析：对于乙容器，可以先将其体积扩大2倍，得到与甲等效的平衡丙(建立等效模型)，再将丙的体积缩小为(回归题意)。如下图所示：
达到平衡时，甲和丙中各组分的百分含量相等；丙中各组分的物质的量是甲中的两倍；甲和丙各组分的浓度相等。
丙乙，体积变为原来的，即增大压强，平衡正向移动。所以达到平衡时，甲和乙的平衡混合物中：乙中NH3的百分含量大于甲，乙中N2的百分含量小于甲；n(NH3)乙>2n(NH3)甲，n(N2)乙<2n(N2)甲 ；c(NH3)乙>2c(NH3)甲，c(N2)乙<2c(N2)甲。
②现有两个体积相同的恒温密闭容器Ⅰ、Ⅱ按如下图所示投料，并在400 ℃条件下开始反应2SO3(g) 2SO2(g)+O2(g)，一段时间后两容器中均达到平衡，比较两平衡体系中反应物的转化率、百分含量等。
分析：先让Ⅰ和Ⅱ一样恒温恒压，则Ⅰ和Ⅱ中达到的平衡完全等同(建立等效模型)；恒压时，随反应进行，体积增大，然后再将Ⅰ复原(压缩体积)(回归题意)，即增大压强，平衡逆向移动。所以平衡混合物中SO3的百分含量：Ⅰ>Ⅱ；达到平衡时反应物的转化率：Ⅰ<Ⅱ。
[如何分析试题中的有关化学平衡的陌生图像(举例说明)]
1. 根据图像选择反应最佳条件
①采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn的合金)，利用CO和H2制备二甲醚(DME)。
主反应：2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)
副反应：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)
观察下图回答问题：催化剂中约为 时最有利于二甲醚的合成。
图像分析：分清主次反应，主反应相关曲线先增后减，非常明显的拐点，选择性和转化率最高最有利于合成，所以答案是2.0。
②氨气制取尿素[CO(NH2)2]的合成塔中发生反应：2NH3(g)+CO2(g) CO(NH2)2(l)+H2O(g)。
下图为合成塔中不同氨碳比a [] 和水碳比b[]时二氧化碳转化率(α)。b宜控制在 (填字母)范围内。
A.0.6~0.7 B.1~1.1 C.1.5~1.6
a宜控制在4.0左右，理由是 。
图像分析：控制变量，作垂直于横轴的一条直线交三条曲线于三点，转化率越高越好，所以选择A。选择最佳氨碳比，可看最上面曲线的走势，整体增加，曲线先陡后平(略上升)，依然选择拐点，当氨碳比大于4.0时，增大氨气的量CO2转化率增加不大，但生产成本提高了；氨碳比太小，CO2转化率低。
2. 根据图像结合相关原理解释某种现象产生的原因
①以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如下图所示。250300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是 。
图像分析：两根曲线注意看清每个曲线对应的条件，分析两个量之间内在的联系。这里涉及影响反应速率的两个因素：催化剂和温度，弄清影响因素即可。所以，250300 ℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250 ℃时，催化剂的催化效率降低。
②已知H2S高温热分解制H2的反应如下：
H2S(g)H2(g)+S(g)
在恒容密闭容器中，控制不同温度进行H2S的分解实验。以H2S的起始浓度均为c mol·L-1测定H2S的转化率，结果如下图所示。图中a为H2S的平衡转化率与温度的关系曲线，b曲线表示不同温度下反应经过相同时间且未达到化学平衡时H2S的转化率。请说明随温度的升高，曲线b向曲线a逼近的原因： 。
图像分析：弄清两根曲线表示的含义，温度低时，H2S转化率相差较大，温度高时，H2S转化
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