Question

3．二氧化碳是引起“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）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
（2）在一定温度下的2L固定容积的密闭容器中，通入2molCO₂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．混合气体的平均相对分子质量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
（3）某甲醇燃料电池原理如图2所示．
①M区发生反应的电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
②用上述电池做电源，用图3装置电解饱和食盐水（电极均为惰性电极），则该电解的总反应离子方程式为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-．假设溶液体积为300mL，当溶液的pH值变为13时（在常温下测定），理论上消耗甲醇的质量为0.16g（忽略溶液体积变化）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律进行计算，书写热化学方程式；
（2）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；
（3）①首先根据氢离子的移动方向来确定正负极，然后根据原电池原理书写电极反应式； 
②整个电路中转移电子的数目相等，可以根据电子转移的数目相同来列出已知物质和未知物质之间关系式，然后通过关系来求解；

解答 解：（1）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，
由③×$\frac{3}{2}$+④×2-②-①得，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．
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
A．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．平均相对分子质量=$\frac{总质量}{总物质的量}$，总质量一定，总物质的量会变，故混合气体的平均相对分子质量不随时间的变化而变化说明达到平衡状态，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一直为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K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.75{\;}^{3}}$=0.20，
平衡常数是温度的函数，只有通过改变温度，来改变平衡常数，正反应是放热反应，降低温度使平衡向正反应方向移动，K值变大，
故答案为：0.20；C；
（3）①M区是质子流出的一极，应是原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用惰性电极，电解饱和食盐水总的电极反应式为2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，
pH值变为13时，pOH=1，c（OH^-）=0.1mol/L，n（OH^-）=0.1mol/L×0.3L=0.03mol，由方程式CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-可知
 CH₃OH～6e^-～6OH^-
 32g        6mol
m（CH₃OH）  0.03mol
则m（CH₃OH）=32g×0.03mol÷6mol=0.16g，
故答案为：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-；0.16g；

点评 本题考查化学平衡状态的判断、平衡常数的计算、化学平衡的影响因素、电极反应式和离子方程式的书写、以及盖斯定律的应用等知识，综合性强，难度较大．