Question

4．實現“節能減排”和“低碳經濟”的一項重要課題就是如何將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），下圖1表示該反應過程中能量（單位為kJ•mol^-1）的變化．

（1）關于該反應的下列說法中，正確的是A（填字母）．
A．△H＜0，△S＜0     B．△H＞0，△S＜0
C．△H＞0，△S＞0     D．△H＜0，△S＞0
（2）為探究反應原理，現進行如下實驗，在體積為l L的密閉容器中，充入l mol CO₂和4mol H₂，一定條件下發生反應：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g），測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如上圖2所示．
①從反應開始到平衡，H₂的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）；CO₂的轉化率a（CO₂）=75%．
②該反應的平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$．（只列表達式和計算式，不必計算出結果）
③下列措施中能使化學平衡向正反應方向移動的是AD （填字母）．
A．將CH₃OH（g）及時液化抽出B．升高溫度
C．選擇高效催化劑D．再充入l molCO₂和4molH₂
（3）25℃，1.01×10⁵Pa時，16g 液態甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態時，放出350.8kJ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=-701.6 kJ•mol^-1．
（4）選用合適的合金為電極，以氫氧化鈉、甲醇、水、氧氣為原料，可以制成一種以甲醇為原料的燃料電池，其負極的電極反應式是：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）正反應氣體的物質的量減少，混亂度減�。挥捎诜磻�物能量高于生成物的能量，反應是放熱反應；
（2）二氧化碳是反應物，隨反應進行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應進行濃度增大，10nim內達到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）：1       4          0        0
變化量（mol/L）：0.75    2.25       0.75     0.75
平衡量（mol/L）：0.25    1.75       0.75     0.75
①根據c=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂），二氧化碳轉化率=$\frac{C{O}_{2}濃度變化量}{C{O}_{2}起始濃度}$×100%；
②平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③A．將CH₃OH（g）及時液化抽出，減小生成物的量平衡正向進行；
B．反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行；
C．選擇高效催化劑只能改變速率，不改變化學平衡；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大壓強平衡正向進行；
（3）25℃，1.01×10⁵Pa時，16g液態甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態時，放出350.8kJ的熱量，則1mol甲醇完全燃燒恢復到原狀態時，放出熱量=350.8kJ×$\frac{1mol×32g/mol}{16g}$=701.6kJ，注明物質的聚集狀態與反應熱書寫熱化學方程式；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水．

解答 解：（1）正反應氣體的物質的量減少，混亂度減小，故△S＜0；由于反應物能量高于生成物的能量，反應是放熱反應，則△H＜0，
故選：A；
（2）二氧化碳是反應物，隨反應進行濃度減小，甲醇是生成物，隨反應進行濃度增大，10nim內達到平衡，生成甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度變化了0.75mol/L，則：
             CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）：1      4           0        0
變化量（mol/L）：0.75   2.25        0.75      0.75
平衡量（mol/L）：0.25   1.75        0.75       0.75
①則v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L•min），二氧化碳轉化率=$\frac{0.75mol/L}{1mol/L}$×100%=75%，
故答案為：0.225mol/（L•min）；75%；
②平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$；
③A．將CH₃OH（g）及時液化抽出，減小生成物的量平衡正向進行，故A正確；
B．反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，故B錯誤；
C．選擇高效催化劑只能改變速率，不改變化學平衡，故C錯誤；
D．再充入l molCO₂和3molH₂，增大壓強平衡正向進行，故D正確，
故選：AD；
（3）25℃，1.01×10⁵Pa時，16g液態甲醇完全燃燒，當恢復到原狀態時，放出350.8kJ的熱量，則1mol甲醇完全燃燒恢復到原狀態時，放出熱量=350.8kJ×$\frac{1mol×32g/mol}{16g}$=701.6kJ，故甲醇燃燒的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-701.6 kJ•mol^-1；
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-701.6 kJ•mol^-1；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負極電極反應式為：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、熱化學方程式書寫、原電池等，注意對你基礎知識的理解掌握，難度中等．