Question

20．随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．

I．目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究该反应原理，进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3.25mol H₂，在一定条件下发生反应，测定CO₂、CH₃OH（g）和H₂O（g）的浓度随时间变化如图1所示：
（1）从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）
（2）该条件下CO₂的转化率为75%．
（3）下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是C．
A．升高温度B．恒容时充入氮气
C．将水蒸气从体系中分离D．用更有效的催化剂．
Ⅱ．如图2是一个乙醇燃料电池工作时的示意图，乙池中的两个电极一个是石墨电极，一个是铁电极，工作时M、N两个电极的质量都不减少，请回答下列问题：[Ag：108]
（1）M极的电极材料为Fe．
（2）加入乙醇的铂电极的电极反应式为C₂H₅OH-12e+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O
（3）在此过程中乙池中某一电极析出金属银4.32g时，此时乙池溶液的体积为400mL，则乙池中溶液的pH为1．
（4）若在常温常压下，1g C₂H₅OH燃烧生成CO₂和液态H₂O时放出29.71kJ热量，表示该反应的热化学方程式为C₂H₅OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1366.66kJ/mol．

Answer 1

分析 I．（1）由图1可知，甲醇的浓度变化量为0.75mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
（2）转化率=$\frac{浓度变化量}{起始浓度}$×100%；
（3）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，改变条件使平衡向正反应移动，但只增大二氧化碳的浓度会使该比值减小；
Ⅱ．（1）碱性乙醇电池为原电池，通入乙醇的电极是负极，通入氧气的电极是正极，乙池有外接电源，属于电解池，N与原电池正极相连，则N是阳极，M与原电池负极相连，M为阴极，工作时M、N两个电极的质量都不减少，则Fe为阴极；
（2）原电池负极发生氧化反应，乙醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水；
（3）乙池中阴极发生反应：Ag⁺+e^-=Ag，阳极发生反应：2H₂O+4e^-=O₂↑+4H⁺，根据电子转移守恒计算n（H⁺），计算溶液中c（H⁺），再根据pH=-lgc（H⁺）计算；
（4）计算1mol乙醇燃烧放出的热量，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式．

解答 解：（1）由图1可知，10min达平衡时甲醇的浓度变化量为0.75mol/L，所以v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min），速率之比等于化学计量数之比，所以v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/（L•min）=0.225mol/（L•min）；
故答案为：0.225；
（2）平衡时二氧化碳的浓度变化量为1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，故该条件下CO₂的转化率为为$\frac{0.75mol/L}{1mol/L}$×100%=75%，
故答案为：75%；
（3）使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，改变条件使平衡向正反应移动，但只增大二氧化碳的浓度会使该比值减小
A．正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$减小，故A错误；
B．恒容时充入氮气，反应混合物的浓度不变，平衡不移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，故C正确；
D．加入更有效的催化剂，平衡不移动，$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$不变，故D错误，
故选：C；
Ⅱ．（1）碱性乙醇电池为原电池，通入乙醇的电极是负极，通入氧气的电极是正极，乙池有外接电源，属于电解池，N与原电池正极相连，则N是阳极，M与原电池负极相连，M为阴极，工作时M、N两个电极的质量都不减少，则Fe为阴极，
故答案为：Fe；
（2）原电池负极发生氧化反应，乙醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，电极反应式为：C₂H₅OH-12e+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案为：C₂H₅OH-12e+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（3）乙池中阴极发生反应：Ag⁺+e^-=Ag，析出Ag的物质的量为$\frac{4.32g}{108g/mol}$=0.04mol，阳极发生反应：2H₂O+4e^-=O₂↑+4H⁺，根据电子转移守恒n（H⁺）=0.04mol，则c（H⁺）=$\frac{0.04mol}{0.4L}$=0.1mol/L，溶液pH=-lg0.1=1，
故答案为：1；
（4）1g C₂H₅OH燃烧生成CO₂和液态H₂O时放出29.71kJ热量，则1mol乙醇燃烧放出的热量=29.71kJ×$\frac{1mol×46g/mol}{1g}$=1366.66kJ，故热化学反应方程式为：C₂H₅OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1366.66kJ/mol，
故答案为：C₂H₅OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1366.66kJ/mol．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、电化学、热化学方程式书写等，属于拼合型题目，是对学生综合能力的考查，难度中等．