Question

1．CO₂ 加氫合成甲醇可有效利用CO₂．由CO₂制備甲醇過程涉及反應如下：
反應Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反應Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）△H₂=+41.19 kJ•mol^-1kJ/mol；升高溫度會使反應Ⅱ向正（填“正”、“逆”）方向移動．
（2）一定條件下在3L恒容密閉容器中充入一定量的H₂和CO₂僅發生反應Ⅰ，實驗測得反應物在不同起始投入量下，反應體系中CO₂的平衡轉化率與溫度的關系曲線如圖1所示：
①H₂和CO₂的起始的投入量以A和B兩種方式投入：
A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol
B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，曲線Ⅱ代表B（填“A”或“B”）投入方式．
②在溫度為500K的條件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應10min時達到平衡：
a．此溫度下的平衡常數為450；500K時，若在此容器中開始充入0.3molH₂和0.9mol
CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，若使反應在開始時能正向進行，則x應滿足的條件是0＜x＜2.025．
b．在此條件下，系統中CH₃OH的濃度隨時間的變化如圖2所示，當反應時間達到3min時，迅速升溫至600K，請在圖2中畫出3～10min內容器中CH₃OH濃度變化曲線．
（3）新型固體燃料電池的電解質是固體氧化鋯和氧化釔，高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過．如圖3所示，其中多孔電極不參與電極反應．
①該電池的負極反應式為CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O．
②如果用該電池作為電解裝置，當有16g甲醇發生反應時，則理論上提供的電量表達式為2.895×10⁵C（1個電子的電量為1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；正反應如果是吸熱反應升高溫度平衡正向移動；
（2）①圖象分析相同溫度下，兩種反應物，增大一種物質的量會提高另一種物質的轉化率；
②a．結合三行式進行計算，化學反應的平衡常數K各個生成物平衡濃度系數次方的乘積和各個反應物平衡濃度系數次方乘積的比值，據此計算；
b．將體系溫度升至600K，根據升高溫度，平衡向著吸熱方向來進行回答；
（3）①以固體氧化鋯氧化釔為電解質，這種固體電解質在高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負極是甲烷失電子發生氧化反應，結合導電離子和電荷守恒分析書寫；
②依據電極反應計算轉移電子數，結合法拉第常數為9.65×10⁴C•mol^-1計算電量．

解答 解：（1）反應Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反應Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，反應Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反應Ⅱ的焓變△H₂=（-49.58kJ•mol^-1）-（-90.77kJ•mol^-1）=+41.19 kJ•mol^-1；根正反應是吸熱反應升高溫度平衡正向移動，
故答案為：+41.19 kJ•mol^-1；正向；
（2）①A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol，B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，二者比較B相當于增大二氧化碳的量，轉化率小于A，所以曲線Ⅱ代表B的投料，
故答案為：B；
②在溫度為500K的條件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應10min時達到平衡，二氧化碳的轉化率是60%，
          CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始濃度：0.5      1         0         0
變化濃度：0.3     0.9      0.3       0.3
平衡濃度：0.2     0.1      0.3       0.3
a．該溫度下，反應I的平衡常數K=$\frac{0.3×0.3}{0.2×0．{1}^{3}}$=450，
500K時，若在此容器中開始充入0.3molH₂和0.9mol CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，濃度分別為0.1mol/L，0.3mol/L，0.2mol/L，$\frac{x}{3}$mol/L
若使反應在開始時正向進行，濃度商Qc=$\frac{0.2×\frac{x}{3}}{0.3×0．{1}^{3}}$＜K=450
x=2.025
則x應滿足的條件是0＜x＜2.025
故答案為：450，0＜x＜2.025；
b．當反應時間達到3min時，迅速將體系溫度升至600K，則平衡正向進行，甲醇的濃度會增加，圖象為，
故答案為：；
（3）①以固體氧化鋯氧化釔為電解質，這種固體電解質在高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負極是甲烷失電子發生氧化反應，結合導電離子和電荷守恒分析書寫電極反應為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O；
②16g甲醇物質的量=$\frac{16g}{32g/mol}$=0.5mol，發生反應時電子轉移0.5mol×6=3mol，則理論上提供的電量最多為3mol×9.65×10⁴C•mol^-1=2.895×10⁵ C，
故答案為：2.895×10⁵ C．

點評 本題綜合考查學生蓋斯定律的應用、化學反應速率的計算、化學平衡移動的影響因素等知識，屬于綜合知識的考查，難度較大．