Question

14．二氧化碳是引起“温室效应”的主要物质，节能减排，高效利用能源，能够减少二氧化碳的排放．
（1）在一定温度下的2L固定容积的密闭容器中，通入2mol CO₂和3mol H₂，发生的反应为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），测得CO₂（g）和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图1所示．
①能说明该反应已达平衡状态的是AB．（选填编号）
A．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变
B．混合气体的压强不随时间的变化而变化
C．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4molH₂O
D．该体系中H₂O与CH₃OH的物质的量浓度之比为1：1，且保持不变
②计算该温度下此反应的平衡常数K=0.20．（保留两位有效数字）．若改变条件C（填选项），可使K=1．
A．增大压强   B．增大反应物浓度   C．降低温度
D．升高温度   E．加入催化剂
（2）直接甲醇燃料电池（简称DMFC）由于其结构简单、能量转化率高、对环境无污染，可作为常规能源的替代品而越来越受到关注．DMFC的工作原理如图2所示：
①通入a气体的电极是电池的负（填“正”或“负”）极，其电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺
②常温下，用此电池以惰性电极电解0.5L饱和食盐水（足量），若两极共生成气体1.12L（已折算为标准状况下的体积），则电解后溶液的pH为13（忽略溶液的体积变化）
（3）有一种用CO₂生产甲醇燃料的方法：
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，
则表示CH₃OH（l）燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）①化学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断；
②根据图象数据结合平衡常数K的计算公式进行计算，根据K仅与温度有关及反应为放热来判断改变条件；
（2）①根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应；
②根据电池反应为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，结合两极生成气体体积计算；
（3）已知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，根据盖斯定律，将已知热化学方程式按照$\frac{3}{2}$③+2×④-①-②可得目标反应．

解答 解：（1）①A．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变，则能说明达到平衡状态，故A正确；
B．该反应过程中气体的体积发生变化，则反应过程中压强为变量，当氧混合气体的压强不随时间的变化而变化，说明正逆反应速率相等，达到平衡状态，故B正确；
C．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4molH₂O，不能体现正逆反应，故不能说明达到平衡状态，故C错误；
D．H₂O与CH₃OH都是产物，并且按照1：1的比例生成，所以H₂O与CH₃OH的物质的量浓度之比始终为1：1，不能说明达到平衡状态，故D错误；
故答案为：AB；
②由图象数据CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）得
   开始浓度：1              1.5              0                   0
  转化浓度：0.25          0.75           0.25             0.25 
  平衡浓度：0.75          0.75           0.25             0.25 
所以该稳定性该反应的平衡常数为：K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.7{5}^{3}}$=0.20；则要使平衡常数K=1，又反应放热所以降低温度使平衡向正反应方向移动，故C正确，
故答案为：0.20；C；
（2）（4）①根据图知，交换膜是质子交换膜，则电解质溶液呈酸性，根据氢离子移动方向知，通入a的电极为负极、通入b的电极为正极，负极上甲醇失去电子发生氧化反应，负极反应式为 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正极上氧气得电子发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案为：负；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用此电池以惰性电极电解饱和食盐水的电池反应为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，当两极共收集到标准状况下的气体1.12L（0.05mol）时，则生成氢氧化钠的物质的量是0.05mol，所以C（OH^-）=$\frac{0.05mol}{0.5L}$=0.1mol/L，所以pH=13，
故答案为：13；
（3）已知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
根据盖斯定律，$\frac{3}{2}$③+2×④-①-②可得，CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=$\frac{3}{2}$（2c kJ•mol^-1）+（-d kJ•mol^-1）×2-（-a kJ•mol^-1）-（-b kJ•mol^-1）=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1，
所以CH₃OH（l）燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．

点评 本题考查较为综合，涉及化学平衡常数的计算、化学平衡状态判断、盖斯定律应用、原电池原理等知识，题目难度中等，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握化学平衡三段式在化学平衡计算中的应用，试题培养了学生的分析、理解能力及化学计算能力．