Question

17．（1）地球上的能源主要源于太阳，绿色植物的光合作用可以大量吸收CO₂以减缓温室效应，主要过程可以描述分为下列三步（用“C₅”表示C₅H₁₀O₄，用“C₃”表示C₃H₆O₃）：
Ⅰ、H₂O（l）═2H⁺（aq）+$\frac{1}{2}$O₂（g）+2e^-△H=+284kJ/mol
Ⅱ、CO₂（g）+C₅（s）+2H⁺（aq）═2C₃⁺（s）△H=+396kJ/mol
Ⅲ、12C₃⁺（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6C₅（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ/mol
写出绿色植物利用水和二氧化碳合成葡萄糖并放出氧气的热化学方程式6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1．
（2）降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的恒容密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．
测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图1所示     
①一定温度下，不能说明该反应达到平衡状态的是：b（填序号）
a．体系的压强不再改变     b．体系的密度不再改变    c．各气体的浓度不再改变
d．各气体的质量分数不再改变   e．反应速率v（CO₂）正：v（H₂）逆=1：3
②从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）；
③氢气的转化率=75%；
④该反应的平衡常数为K=5.33（保留三位有效数字）；
⑤下列措施中能使平衡体系中$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CD．
A．升高温度                         B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离出去      D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
⑥当反应达到平衡时，H₂的物质的量浓度为c₁，然后向容器中再加入一定量H₂，待反应再一次达到平衡后，H₂的物质的量浓度为c₂．则c₁＜c₂的关系（填＞、＜、=）．
（3）减少温室气体排放的关键是节能减排，大力开发利用燃料电池就可以实现这一目标．如图2所示甲烷燃料电池（在上面）．请回答：
①通入甲烷一极的电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
②随着电池不断放电，电解质溶液的pH减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率大于（填“大于”、“小于”或“等于”）甲烷燃烧的能量利用率．
④用该燃料电池以石墨电极电解2.0L 0.25mol•L^-1  CuSO₄溶液，5min后在一个电极上有6.4gCu析出．则阳极的电极反应式为4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑或2H₂O-4e-═O₂↑+4H⁺； 此时得到的O₂在标准状况下的体积为1.12L；向电解后的溶液中加入下列哪种物质可使电解质溶液恢复原来的浓度：CDA．CuSO₄B．H₂O  C．CuO  D．CuCO₃．

Answer 1

分析 （1）依据盖斯定律和热化学方程式计算得到所需的热化学方程式，利用热化学方程式的加减消去不需要的物质，注意加减时焓变随之变化；
（2）①平衡时各组分的浓度不随时间的变化而变化，由此分析各选项；
②根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
③根据氢气的平衡浓度判断转化的物质的量，进而可计算转化率；
④根据平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积计算；
⑤要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动；
⑤恒容密闭容器、反应后整个体系的压强比之前来说减小了，加入氢气虽然正向移动，但是CO₂（g）浓度较小、CH₃OH（g） 浓度增大、H₂O（g）浓度增大，且平衡常数不变；
⑥恒容密闭容器、反应后整个体系的压强比之前来说减小了，加入氢气虽然正向移动，但是CO₂（g）浓度较小、CH₃OH（g） 浓度增大、H₂O（g）浓度增大，且平衡常数不变；
（3）①甲烷燃料电池中，负极上投放燃料甲烷，发生失电子发生氧化反应，正极上投放氧气，发生得电子的还原反应，总反应是燃料和氧气反应的化学方程式；
②根据电池的总反应确定酸碱性的变化；
③根据能量转化情况来回答；
④阳极发生氧化反应，电极反应式为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑或2H₂O-4e-═O₂↑+4H⁺，5min后在一个电极上有6.4gCu析出，转移电子的物质的量为0.2mol，所以生成气体的物质的量为：$\frac{0.2}{4}$=0.05mol，所以体积为：1.12L，电解质溶液浓度恢复遵循：“出什么加什么”的原则．

解答 解：（1）依据盖斯定律由题干所给的热化学方程式，结合盖斯定律计算（①+②）×6+③得到绿色植物利用水和二氧化碳合成葡萄糖并放出氧气的热化学方程式，
6CO₂（g）+6H₂O（g）=C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6O₂（g）△H=[（+284KJ/mol）+（+396KJ/mol）]×6+（-1200KJ/mol）=+2880KJ/mol；
则△H=[（+284KJ/mol）+（+396KJ/mol）]×6+（-1200KJ/mol）=+2880KJ/mol，即6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1，
故答案为：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1；
（2）①a．体系的压强不再改变，说明气体的物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；     
b．体系的密度一直不变，故错误；    
c．各气体的浓度不再改变，说明正逆反应速率相等，反应达平衡状态，故正确；
d．各气体的质量分数不再改变，说明各物质的量不变，反应达平衡状态，故正确；   
e．反应速率v（CO₂）正：v（H₂）逆=1：3，等效于v（CO₂）正：v（CO₂）逆=1：1，反应达平衡状态，故正确；
故选：b；
②利用三段式解题法计算 
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
开始（mol/L）：1       3               0               0
变化（mol/L）：0.75   2.25       0.75             0.75
平衡（mol/L）：0.25   0.75       0.75             0.75
从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.225；
③氢气的转化率=$\frac{2.25}{3}$×100%=75%，
故答案为：75%；
④平衡常数等于生成物的浓度幂之积除以反应物的浓度幂之积，则K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75×0.75}{0.25×0.7{5}^{3}}$=5.33，
故答案为：5.33；
⑤要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动，
A．因正反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，则比值减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，但对反应物质来说，浓度没有变化，平衡不移动，比值不变，故D错误．故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应方法移动，比值增大，故C正确；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，增大反应物浓度，平衡向正反应方向移动，则比值增大，故D正确．
故答案为：CD；
⑥若是恒容密闭容器、反应后整个体系的压强比之前来说减小了，加入氢气虽然正向移动，平衡移动的结果是减弱这种改变，而不能消除这种改变，即虽然平衡正向移动，氢气的物质的量在增加后的基础上减小，但是CO₂（g）浓度较小、CH₃OH（g） 浓度增大、H₂O（g）浓度增大，且平衡常数不变达到平衡时H₂的物质的量浓度与加氢气之前相比一定增大，故c₁＜c₂，故答案为：＜；
（3）①在碱性溶液中，负极上投放燃料甲烷，发生失电子发生氧化反应：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
②燃料电池的总反应是：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，消耗氢氧根离子，所以碱性减弱，pH减小，故答案为：减小；
③甲烷燃烧时要放出热量、光能，所以燃料电池中甲烷的利用率比甲烷燃烧的能量利用率高，故答案为：大于；
④阳极发生氧化反应，电极反应式为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑或2H₂O-4e-═O₂↑+4H⁺，5min后在一个电极上有6.4gCu析出，转移电子的物质的量为0.2mol，所以生成气体的物质的量为：$\frac{0.2}{4}$=0.05mol，所以体积为：1.12L，电解质产生铜与氧气，所以加入氧化铜与碳酸铜，故选CD；
故答案为：4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑或2H₂O-4e-═O₂↑+4H⁺； 1.12；CD．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学、电化学以及化学平衡计算以及平衡移动等问题，题目难度较大，注意根据图象计算各物质的平衡浓度为解答该题的关键．