Question

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），如图1表示该反应过程中能量的变化：

（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图2所示．
①从反应开始到平衡，CO₂的平均反应速率v（CO₂）=______；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1molCO₂和4molH₂
（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或通入的物质有_______；其负极的电极反应式是：______．

Answer 1

【答案】分析：（1）依据反应和图象分析判断：CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g），反应是熵减少的反应△S＜0；反应物能量高于生成物的能量，判断反应是放热反应，△H＜0；
（2）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图2所示．二氧化碳是反应物随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大；10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L；①依据化学平衡三段式列式计算判断；②依据化学平衡常数的概念书写平衡常数计算式；③依据化学反应的影响因素和条件逐项分析判断；
A、反应是放热反应，升温平衡逆向进行；
B、将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量平衡正向进行；
C、选择高效催化剂只能改变速率，不改变化学平衡；
D、再充入l molCO₂和4molH₂，增大压强平衡正向进行；
（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，依据书写热化学方程式的方法写出该反应的热化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ?mol^-1；
（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，原电池的负极失电子发生氧化反应，失电子的是甲醇，此电池的负极应加入或通入的物质有甲醇、氢氧化钠、水；负极的电极反应式结合化学方程式为2CH₃OH+3O₂+4KOH→2K₂CO₃+6H₂O；正极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；依据电子守恒，用化学方程式减去正极电极反应得到负极电极反应式．
解答：解：（1）依据反应和图象分析判断：CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g），反应是熵减少的反应△S＜0；反应物能量高于生成物的能量，判断反应是放热反应，△H＜0，
故答案为：C；
（2）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图2所示．二氧化碳是反应物随反应进行浓度减小，甲醇是生成物，随反应进行浓度增大；10nim内达到平衡，生成甲醇浓度为0.75mol/L，二氧化碳浓度变化了0.75mol/L；则
①依据化学平衡列式计算为：
                CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1        4           0         0
变化量（mol/L） 0.75     2.25       0.75     0.75
平衡量（mol/L） 0.25     1.75       0.75     0.75
CO₂的平均反应速率v（CO₂）==0.075mol?L^-1?min^-1 ；H₂的转化率w（H₂）=×100%=56.25%，
故答案为：0.075 mol?L^-1?min^-1；
②该反应的平衡常数表达式K=，故答案为：；
③措施中能使化学平衡向正反应方向移动的是：
A、反应是放热反应，升温平衡逆向进行；故A错误；
B、将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量，平衡正向进行，故B正确；
C、选择高效催化剂只能改变速率，不改变化学平衡，故C错误；
D、再充入l molCO₂和4molH₂，增大压强平衡正向进行，故D正确；
故选BD；
（3）25℃，1.01×10⁵Pa时，16g 液态甲醇物质的量为0.5mol，完全燃烧，当恢复到原状态时，放出363.3kJ的热量，依据书写热化学方程式的方法写出该反应的热化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ?mol^-1；
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ?mol^-1；
（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，原电池的负极失电子发生氧化反应，失电子的是甲醇，此电池的负极应加入或通入的物质有甲醇、氢氧化钠、水；负极的电极反应式结合化学方程式为2CH₃OH+3O₂+4KOH→2K₂CO₃+6H₂O；正极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；依据电子守恒，用化学方程式减去正极电极反应得到负极电极反应式为：2CH₃OH+16OH^?-12e^-=2CO₃^2-+12H₂O，
故答案为：甲醇、氢氧化钠、水；2CH₃OH+16OH^?-12e^-=2CO₃^2-+12H₂O．
点评：本题考查了反应的焓变判断，热化学方程式的书写原则，电极反应和电池反应的分析书写，化学平衡的影响因素判断平衡移动方向，化学平衡的计算的应用，图象分析是关键．综合性较大，难度中等．