Question

3．二氧化碳是引起“溫室效應”的主要物質，節能減排，高效利用能源，能夠減少二氧化碳的排放．

（1）有一種用CO₂生產甲醇燃料的方法：
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
CH₃OH（g）=CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-c kJ•mol^-1；
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-d kJ•mol^-1，
則表示CH₃OH（l）燃燒熱的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1
（2）在一定溫度下的2L固定容積的密閉容器中，通入2molCO₂和3mol H₂，發生的反應為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），測得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖1所示．
①能說明該反應已達平衡狀態的是AB．（選填編號）
A．CO₂的體積分數在混合氣體中保持不變
B．混合氣體的平均相對分子質量不隨時間的變化而變化
C．單位時間內每消耗1.2mol H₂，同時生成0.4molH₂O
D．該體系中H₂O與CH₃OH的物質的量濃度之比為1：1，且保持不變
②計算該溫度下此反應的平衡常數K=0.20．（保留兩位有效數字）．若改變條件C（填選項），可使K=1．
A．增大壓強   B．增大反應物濃度   C．降低溫度   D．升高溫度   E．加入催化劑
（3）某甲醇燃料電池原理如圖2所示．
①M區發生反應的電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
②用上述電池做電源，用圖3裝置電解飽和食鹽水（電極均為惰性電極），則該電解的總反應離子方程式為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-．假設溶液體積為300mL，當溶液的pH值變為13時（在常溫下測定），理論上消耗甲醇的質量為0.16g（忽略溶液體積變化）．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律進行計算，書寫熱化學方程式；
（2）①化學反應達到化學平衡狀態時，正逆反應速率相等，且不等于0，各物質的濃度不再發生變化，由此衍生的一些物理量不發生變化，以此進行判斷；
②根據圖象數據結合平衡常數K的計算公式進行計算，根據K僅與溫度有關及反應為放熱來判斷改變條件；
（3）①首先根據氫離子的移動方向來確定正負極，然后根據原電池原理書寫電極反應式； 
②整個電路中轉移電子的數目相等，可以根據電子轉移的數目相同來列出已知物質和未知物質之間關系式，然后通過關系來求解；

解答 解：（1）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
②CH₃OH（g）=CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-c kJ•mol^-1；
④H₂O（g）=H₂O（l）△H=-d kJ•mol^-1，
由③×$\frac{3}{2}$+④×2-②-①得，CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
A．CO₂的體積分數在混合氣體中保持不變，則能說明達到平衡狀態，故A正確；
B．平均相對分子質量=$\frac{總質量}{總物質的量}$，總質量一定，總物質的量會變，故混合氣體的平均相對分子質量不隨時間的變化而變化說明達到平衡狀態，故B正確；
C．單位時間內每消耗1.2mol H₂，同時生成0.4molH₂O，不能體現正逆反應，故不能說明達到平衡狀態，故C錯誤；
D．H₂O與CH₃OH都是產物，并且按照1：1的比例生成，所以H₂O與CH₃OH的物質的量濃度之比一直為1：1，不能說明達到平衡狀態，故D錯誤；
故答案為：AB；
②由圖象數據CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）得
開始濃度：1       1.5        0        0
轉化濃度：0.25     0.75      0.25    0.25 
平衡濃度：0.75     0.75      0.25    0.25 
所以K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.75{\;}^{3}}$=0.20，
平衡常數是溫度的函數，只有通過改變溫度，來改變平衡常數，正反應是放熱反應，降低溫度使平衡向正反應方向移動，K值變大，
故答案為：0.20；C；
（3）①M區是質子流出的一極，應是原電池的負極，發生氧化反應，電極反應式為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用惰性電極，電解飽和食鹽水總的電極反應式為2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，
pH值變為13時，pOH=1，c（OH^-）=0.1mol/L，n（OH^-）=0.1mol/L×0.3L=0.03mol，由方程式CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-可知
 CH₃OH～6e^-～6OH^-
 32g        6mol
m（CH₃OH）  0.03mol
則m（CH₃OH）=32g×0.03mol÷6mol=0.16g，
故答案為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-；0.16g；

點評 本題考查化學平衡狀態的判斷、平衡常數的計算、化學平衡的影響因素、電極反應式和離子方程式的書寫、以及蓋斯定律的應用等知識，綜合性強，難度較大．