Question

（14分）实现 “节能减排” 和“低碳经济”的一项重要课题就是如何将CO₂转化为可利用的资源。目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇。一定条件下发生反应：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)，下图1表示该反应过程中能量(单位为kJ·mol^-1)的变化：

（1）关于该反应的下列说法中，正确的是____________(填字母)。

A．△H＞0，△S＞0                         B．△H＞0，△S＜0

C．△H＜0，△S＜0                         D．△H＜0，△S＞0

（2）为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为l L的密闭容器中，充入l mol CO₂和4mol H₂，一定条件下发生反应：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)，测得CO₂和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如上图2所示。

①从反应开始到平衡，CH₃OH的平均反应速率v(CH₃OH) ＝                    ；H₂的转化率w(H₂) =           。

②该反应的平衡常数表达式K＝                 。

③下列措施中能使化学平衡向正反应方向移动的是                  (填字母)。

A．升高温度

B．将CH₃OH(g)及时液化抽出

C．选择高效催化剂

D．再充入l molCO₂和4 molH₂

（3）25℃，1.01×10⁵Pa时，16g 液态甲醇完全燃烧，当恢复到原状态时，放出363.3kJ的热量，写出该反应的热化学方程式：_____________。

（4）选用合适的合金为电极，以氢氧化钠、甲醇、水、氧气为原料，可以制成一种以甲醇为原料的燃料电池，此电池的负极应加入和通入的物质有__________   _；其正极的电极反应式是：______________。

 

Answer 1

【答案】

（14分） (1) C（2分）  (2) ① 0.075 mol·L^-1·min^-1 （1分）     56.25%(1分)

② （2分）  ③ BD（2分，少选、多选或错选均不能得分）

（3）CH₃OH（l）+O₂ ＝CO₂(g)+2H₂O(l)    △H＝－726.6 kJ·mol^-1 （2分，单位错漏扣1分）  

（4）甲醇、氢氧化钠、水（2分，漏写一个扣1分，漏写两个或错写均不得分）；

2 CH₃OH＋16OH^‑—12e^-＝2CO₃^2-+12H₂O（2分）

【解析】（1）根据方程式可知CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)，该反应是熵值减小的可逆反应。根据图像1可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，因此是放热反应，答案选C。

（2）①根据图2可知，平衡时CO₂的浓度是0.25mol/L，所以其反应速率是（1.0mol/L－0.25mol/L）÷10min＝0.075 mol·L^-1·min^-1。消耗氢气是0.75mol×3＝2.25mol，所以其转化率是2.25÷4×100％＝ 56.25%。

②平衡常数是指在一定条件下，可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值，所以该反应的平衡常数表达式为K＝

③正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动。将CH₃OH(g)及时液化抽出相当于降低生成物浓度，平衡向正反应方向移动，B正确。催化剂只能改变反应速率，但不能改变平衡状态。再充入l molCO₂和4 molH₂相当于增大压强，平衡向正反应方向移动，D正确，所以答案选BD。

（3）根据题意可知，1mol甲醇完全燃烧放出的热量是363.3kJ×32÷16＝726.6 kJ，所以热化学方程式为CH₃OH（l）+3/2O₂ ＝CO₂(g)+2H₂O(l)    △H＝－726.6 kJ·mol^-1

（4）原电池中负极失去电子，发生氧化反应。所以甲醇在负极通入，又因为必需有电解质溶液，所以还必需加入氢氧化钠和水。溶液显碱性，所以甲醇的氧化产物是碳酸钡，因此其电极反应式为2 CH₃OH＋16OH^‑—12e^-＝2CO₃^2-+12H₂O。