Question

10．實現節能減排和低碳經濟的一項重要課題就是研究如何將CO₂轉化為可利用的資源，目前工業上有一種方法是用CO₂來生產燃料甲醇，一定條件下發生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），圖1表示該反應過程中能量（單位為kJ/mol）的變化，據此回答下列有關問題：

（1）25℃時，1.01×10⁵Pa，16g液態甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態時放出363.3kJ的熱量，寫出該反應的熱化學方程式CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1．
（2）為探究反應原理，現進行如下實驗：某溫度下，在體積為lL的密閉容器中充入lmolCO₂和4molH₂，一定條件下發生反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），測得CO₂的濃度隨時間變化如圖2所示．
①從反應開始到平衡，CH₃OH的平均反應速率v（CH₃OH）=0.075mol/（L•min）；H₂的轉化率為56.25%．
②若向該容器中加入 amolCO₂、bmolH₂、cmolCH₃OH（g）和dmolH₂O（g），且a、b、c、d均大于0，在相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質的量與上述平衡相同，試比較反應放出的能量：①大于②（填“大于”“小于”或“等于”）
③下列措施中能使H₂的轉化率提高的是BD（填字母）．
A．升高溫度                   
B．將CH₃OH（g）及時液化抽出
C．選擇高效催化劑                
D．相同條件下 再充入lmolCO₂和4molH₂
（3）甲醇是一種可再生能源具有廣泛的開發和應用前景．某實驗小組用一種以甲醇為原料的燃料電池作為電源，設計了一種電解法制取Fe（OH）₂的實驗裝置如圖3所示，通電后溶液中產生大量白色沉淀且較長時間不變色．
①該燃料電池的負極反應為CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．
②下列說法中正確的是BD（填序號）
A．電源中的負極附近 pH升高
B．電極B的發生氧化反應
C．A、B兩端都必須用鐵作電極
D．陰極發生的反應是2H⁺+2e^-=H₂↑
E．電解的電解質溶液可以是CuSO₄溶液
③若電池中甲醇的通入量為8g，且反應完全，則理論上最多能產生沉淀67.5g．

Answer 1

分析 （1）25℃，1.01×10⁵Pa時，16g 液態甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態時，放出363.3kJ的熱量，依據書寫熱化學方程式的方法寫出該反應的熱化學方程式；
（2）①根據反應速率v=$\frac{△c}{△t}$計算反應速率，轉化率等于變化濃度和初始濃度的比值；
②相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質的量與（1）中平衡相同，說明兩平衡為完全等效平衡，（1）中轉化率比（2）中的高，參加反應的氮氣的物質的量較（2）多；
③能使H₂的轉化率提高的措施是促使化學平衡正向移動的措施，但是不能增加氫氣的投料；
（3）燃料電池是原電電池裝置，通入燃料CH₃OH是負極，發生氧化反應，通入氧氣的電極是正極，該電極上發生得電子的還原反應，電解法制取Fe（OH）₂的陽極材料是金屬鐵，該電極上金屬鐵失電子發生氧化反應，在陰極上發生的反應是2H⁺+2e^-=H₂↑，在陰極附近可以產生氫氧化亞鐵沉淀，根據電極反應式進行計算．

解答 解：（1）25℃，1.01×10⁵Pa時，16g 液態甲醇物質的量為0.5mol，完全燃燒，當恢復到原狀態時，放出363.3kJ的熱量，依據書寫熱化學方程式的方法寫出該反應的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1；
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1．
（2）①在體積為lL的密閉容器中充入lmolCO₂和4molH₂，一定條件下發生反應：
                   CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
初始濃度：1              4                0                 0
變化濃度：0.75          2.25            0.75             0.75
平衡濃度：0.25           1.75            0.75             0.75
從反應開始到平衡，CH₃OH的平均反應速率v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min）；H₂的轉化率為$\frac{2.25}{4}$×100%=56.25%，故答案為：0.075mol/（L•min））；56.25%；
②相同條件下達到平衡時，混合物中各組分的物質的量與（1）中平衡相同，說明兩平衡為完全等效平衡，平衡時氨氣的物質的量相同，由于（2）中起始含有cmol NH₃，故（2）中反應生成的氨氣比（1）少，（1）中參加反應的氮氣的物質的量較（2）多，所以放出的熱量（1）＞（2）．
故答案為：大于；
③A．反應是放熱的，升高溫度，平衡逆向移動，所以氫氣的轉化率減小，故錯誤；
B．將CH₃OH（g）及時液化抽出，平衡正向移動，所以氫氣的轉化率增大，故正確；
C．選擇高效催化劑，能加快反應速率，但是不會引起化學平衡的移動，轉化率不變，故錯誤；
D．相同條件下 再充入lmolCO₂和4molH₂相當于對平衡加壓，所以反應物的轉化率增加，故正確，故選BD；
（3）①燃料電池是原電電池裝置，通入燃料CH₃OH是負極，發生氧化反應，電極反應為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
②A．電源中的負極附近發生反應：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，pH降低，故錯誤；
B．電極B和電源正極相連，是陽極，該電極上發生氧化反應，故正確；
C．電解法制取Fe（OH）₂的陽極B材料是金屬鐵，該電極上金屬鐵失電子發生氧化反應，但是A電極不一定用金屬鐵，故錯誤；
D．陰極發生的反應是還原反應：2H⁺+2e^-=H₂↑，該電極附近氫氧根離子濃度增加，產生氫氧化亞鐵，故正確；
E．電解的電解質溶液不能是CuSO₄溶液，這樣的話在陰極上產生金屬銅，發生的反應是金屬鐵置換銅的反應，不能得到氫氧化亞鐵，故錯誤；
故選BD；
③若電池中甲醇的通入量為8g，且反應完全，根據負極反應：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，轉移電子的物質的量是$\frac{8g}{32g/mol}$×6=1.5mol，根據Fe～2e^-～Fe（OH）₂，則理論上最多能產生Fe（OH）₂沉淀質量：$\frac{1.5mol}{2}$×90g/mol=67.5g，故答案為：67.5．

點評 本題考查綜合考查電極反應式的書寫、計算、蓋斯定律的應用和熱化學方程式的書寫、速率和平衡的計算等知識，題目難度中等．