Question

2．CO₂作為未來碳源，既可彌補因石油、天然氣等大量消耗引起的“碳源危機”，又可有效地解決溫室效應．目前，人們利用光能和催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉化為CH₄和O₂．請回答下列問題：
（1）將所得CH₄與H₂O（g）通入聚焦太陽能反應器，發生反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1．將等物質的量的CH₄和H₂O（g）充入l L恒容密閉容器，某溫度下反應5min后達到平衡，此時測得CO的物質的量為0.10mol，則5min內CH₄的平均反應速率為0.02mol/（L•min）．
 平衡后采取下列措施中的ac能使n（CO）：n（CH₄）增大．
a．加熱升高溫度                  b．恒溫恒容下充入氦氣
c．恒溫下增大容器體積             d．恒溫恒容下再充入等物質的量的CH₄和H₂O
（2）工業上可以利用CO為原料制取CH₃OH．
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
寫出由CO和H₂制取甲醇的熱化學方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H=-90.8kJ•mol^-1．
（3）某科研人員為研究H₂和CO合成CH₃OH的最佳起始組成比n（H₂）：n（CO），在l L恒容密閉容器中通入H₂與CO的混合氣（CO的投入量均為1mol），分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，測得結果如圖1，則270℃時該反應的平衡常數
K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$=1．（列式計算）

（4）以燃料電池為工作原理測定CO的濃度，其裝置如圖2所示，該電池中電解質為氧化釔-氧化鈉，其中O^2-可以在固體介質NASICON中自由移動．則負極的電極反應方程式為CO-2e^-+O^2-═CO₂．
關于該電池的下列說法，正確的是ac
a．工作時電極b作正極，O^2-通過固體介質NASICON由電極b流向電極a
b．工作時電流由電極a通過傳感器流向電極b
c．傳感器中通過的電流越大，尾氣中CO的含量越高．

Answer 1

分析 （1）化學反應速率v=$\frac{△c}{△t}$來計算反應速率，根據影響化學平衡移動的因素來回答判斷；
（2）根據蓋斯定律計算化學反應的焓變；
（3）合成甲醇是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，則230℃時的實驗結果所對應的曲線是X，270℃對應的曲線是Z，加入氫氣為2mol時，CO轉化率為50%，計算平衡時各組分的物質的量，容器的體積為1L，用物質的量代替濃度代入平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算；
（4）該裝置是原電池，負極上一氧化碳失電子發生氧化反應，電極反應式為CO-2e^-+O^2-═CO₂，正極上氧氣得電子發生還原反應，原電池放電時電子從負極流向正極，陰離子向負極移動，一氧化碳的含量越大，原電池放電時產生的電流越大．

解答 解：（1）5min內CO的平均化學反應速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{0.1mol}{1L}}{5min}$=0.02mol/（L•min），甲烷表示的平均反應速率和一氧化氮的是相等的，即為0.02mol/（L•min），根據反應CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206kJ•mol^-1，
a．加熱升高溫度，化學平衡正向移動，所以一氧化碳濃度增加，甲烷濃度減小，所以比值會增大，故a正確；
b．恒溫恒容下充入氦氣，各組分的濃度不變，所以平衡不移動，比值不變，故b錯誤；
c．恒溫下增大容器體積則壓強減小，化學平衡正向移動，所以一氧化碳濃度增加，甲烷濃度減小，所以比值會增大，故c正確；
d．恒溫恒容下再充入等物質的量的CH₄和H₂O，相當于增大壓強，化學平衡逆向動，所以一氧化碳濃度減小，甲烷濃度增加，所以比值會減小，故d錯誤；故選ac，
故答案為：0.02mol/（L•min）；ac；
（2）已知①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
②CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H=+41.3kJ•mol^-1
則①-②得CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H=（-49.5kJ•mol^-1 ）-41.3kJ/mol）=-90.8kJ•mol^-1，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（l）△H=-90.8 kJ•mol^-1；
（3）合成甲醇是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，CO的轉化率減小，則230℃時的實驗結果所對應的曲線是X，270℃對應的曲線是Z，加入氫氣為2mol時，CO轉化率為50%，則：
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1     2          0
變化量（mol）：0.5   1           0.5
平衡量（mol）：0.5   1          0.5
容器的體積為1L，用物質的量代替濃度計算，則平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$=1，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×{1}^{2}}$=1；
（4）該裝置是原電池，負極上一氧化碳失電子發生氧化反應，電極反應式為CO-2e^-+O^2-═CO₂，
a．工作時電極b通入空氣，b作正極，陰離子向負極移動，O^2-由電極b流向電極a，故a正確；
b．原電池放電時電子從負極流向正極，故電流由電極b通過傳感器流向電極a，故b錯誤；
c．一氧化碳的含量越大，原電池放電時產生的電流越大，故c正確，
故答案為：CO-2e^-+O^2-═CO₂；ac．

點評 本題考查化學平衡計算及影響因素、平衡常數、速率計算、熱化學方程式書寫、原電池原理等，旨在考查學生對基礎知識的理解運用，難度中等．