Question

10．固定和利用CO₂，能有效地利用资源，并减少空气中的温室气体．
Ⅰ．工业上正在研究利用CO₂来生产甲醇燃料的方法，该方法的化学方程式是：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol
某科学实验小组将6mol CO₂和8mol H₂充入一容积为2L的密闭容器中（温度保持不变），测得H₂的物质的量随时间变化如图中实线所示（图中字母后的数字表示对应的坐标）．回答下列问题：
（1）该反应在0～8min内CO₂的平均反应速率是0.125mol•L^-1•min^-1
（2）此温度下反应CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）的平衡常数K的数值为0.5．
（3）仅改变某一条件再进行实验，测得H₂的物质的量随时间变化如图中虚线所示．与实线相比，曲线Ⅰ改变的条件可能是升高温度，曲线Ⅱ改变的条件可能是增大压强．
Ⅱ．甲醇和氧气以及强碱做电解质溶液的新型手机电池，电量是现用镍氢电池和锂电池的10倍，可连续使用1个月才充电一次．假定放电过程中，甲醇完全氧化产生的CO₂被充分吸收生成CO₃^2-．
（1）该电池负极的电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；电池在放电过程中溶液的pH将下降（填下降、上升、不变）；
（2）又有科学家制造出一种使用固体电解质的燃料电池，其效率更高．一个电极通入空气，另一个电极通入汽油蒸汽．其中固体电解质在高温下能传导O^2-离子．以丁烷（C₄H₁₀）代表汽油．
①电池的正极反应式为O₂+4e-=2O^2-；
②放电时固体电解质里的O^2-离子的移动方向是向负极移动（填正或负）．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）先计算氢气反应速率，再根据同一可逆反应同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比计算二氧化碳平均反应速率；
（2）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）3         4         0       0
反应（mol/L）1         3         1       1
平衡（mol/L）2         1         1       1
化学平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}O）．c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（3）改变条件时，虚线I中，反应到达平衡时间缩短，氢气的含量升高，说明平衡逆向移动，且反应速率增大，应该是改变的温度；
虚线II中，氢气含量减小、缩短反应到达平衡时间，说明平衡正向移动且反应速率增大，改变的条件是增大压强；
Ⅱ．（1）甲醇燃料碱性电池中，负极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电池反应式为2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，据此判断溶液pH变化；
（2）①正极上氧气得电子生成氧离子；
②放电时电解质中阴离子向负极移动．

解答 解：Ⅰ．（1）氢气反应速率=$\frac{\frac{8-2}{2}}{8}$mol•L^-1•min^-1=$\frac{3}{8}$mol•L^-1•min^-1，同一可逆反应同一段时间内各物质的反应速率之比等于其计量数之比得二氧化碳平均反应速率=$\frac{1}{3}$×$\frac{3}{8}$mol•L^-1•min^-1=0.125mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.125；
（2）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）3         4         0       0
反应（mol/L）1         3         1       1
平衡（mol/L）2         1         1       1
化学平衡常数K=$\frac{c（{H}_{2}O）．c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1×1}{{1}^{3}×2}$=0.5；
（3）改变条件时，虚线I中，反应到达平衡时间缩短，氢气的含量升高，说明平衡逆向移动，且反应速率增大，应该是升高温度；
虚线II中，氢气含量减小、缩短反应到达平衡时间，说明平衡正向移动且反应速率增大，改变的条件是增大压强，
故答案为：升高温度；增大压强；
Ⅱ．（1）甲醇燃料碱性电池中，负极上甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电池反应式为2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，氢氧根离子参加反应导致溶液pH下降，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；下降；
（2）①正极上氧气得电子生成氧离子，电极反应式为O₂+4e-=2O^2-，故答案为：O₂+4e-=2O^2-；
②放电时电解质中阴离子向负极移动，则氧离子向负极移动，故答案为：负．

点评 本题考查化学平衡计算、原电池原理，为高频考点，明确化学平衡计算中采用三段式法、原电池中正负极的判断及正负极上发生的反应是解本题关键，难点是电极反应式的书写，题目难度不大．