Question

【题目】2018年5月9日科技网报道，最新一期国际学术期刊《自然·纳米技术》介绍了我国科学家曾杰团队的成果：在含铂高效催化剂作用下把二氧化碳高效转化清洁液态燃料——甲醇。

（1）甲醇燃烧时发生如下反应（a、b、c、d均大于0）：

①2CH3OH(1)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H1=-akJ·mol-1

②2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H2=-bkJ·mol-1

③CH3OH(1)+3/2O2（g）=CO2(g)+2H2O(1) △H3=-ckJ·mol-1

④CH3OH(1)+O22(g)=CO (g)+2H2O(1) △H4=-dkJ·mol-1

由此知，a、b、c、d由小到大排序为_______。

（2）工业上，通常采用氢气还原CO2法制备甲醇CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(1) △H

已知几种化学键的键能数据如下：

共价键	C=O	H-H	C-O	C-H	H-O
键能/kJ·mol-1	803	436	326	414	464

根据键能数据估算上述反应中△H=____________kJ·mol-1。

（3）在2L恒容密闭容器中充入2 mol CO2和6.5mlH2，在一定温度下反应，测得混合气体中c（CH3OH）与时间的关系如图1所示。

①M点CO2的正反应速率___________N点CO2的逆反应速率（选填“大于”“小于”或“等于”）。

②0~10min内H2的平均反应速率v（H2）=___________mol·L-1·min-1。

③在该温度下，该反应平衡常数K为________。（结果保留两位小数并要求带单位）

（4）在密闭容器中充入一定量CO2和H2，在含铂催化剂作用下反应，测得单位时间内CO2的转化率与温度关系如图2所示。

①R点对应的CO2转化率最大，其原因是_________________。

②在Q点时CO2的转化率突变的原因可能是_________________。

（5）以石墨为电极，甲醇/空气碱性（KOH溶液为电解质溶液）燃料电池的能量转化效率高。当KOH恰好完全转化成KHCO3时停止放电，此时负极的电极反应式为_____________。

Answer 1

【答案】 d、c、a、b（或d＜c＜a＜b ) －46 大于 0.225 2.25 (Lmin-1)2 R点之前未达到平衡，温度升高，反应速率加快，单位时间内转化率增大；R点为平衡点，该反应正反应是放热反应，R点之后，升温平衡向左移动，转化降低 Q点对应的温度使催化剂失去活性（或该温度下催化剂的选择性降低） CH3OH－6e-＋7OH-＝HCO3-＋5H2O

【解析】(1)根据产物、状态、化学计量数判断，液态变气态时要吸收热量，放出热量分析判断；

(2)根据反应热等于断裂化学键的总键能与形成化学键的总键能之差计算；

(3)①根据M点未达到平衡，向正方向进行；N点达到平衡，正、逆反应速率相等分析判断；②根据υ(H2)＝计算；③利用三段式计算出平衡时四种物质的浓度，再根据K＝计算；

(4)①分析R点转化率最大，可以从两个角度一是平衡前，温度对反应速率的影响，单位时间内转化率，其实与速率相关。二是平衡后，升温，平衡移动；②从催化剂活性角度解释Q点转化率突变；

(5)负极上甲醇发生氧化反应，氧化产物为KHCO3，据此书写负极的电极反应式。

(1)①2CH3OH(1)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H1=-akJ·mol-1；②2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H2=-bkJ·mol-1；③CH3OH(1)+3/2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H3=-ckJ·mol-1；④CH3OH(1)+O22(g)=CO (g)+2H2O(1) △H4=-dkJ·mol-1；根据产物、状态、化学计量数判断，液态变气态时要吸收热量，放出热量：②＞①＞③＞④，故d＜c＜a＜b，故答案为：d＜c＜a＜b；

(2)反应热等于断裂化学键的总键能与形成化学键的总键能之差。ΔH＝(803×2＋436×3－326－414×3－464－464×2)kJ·mol-1＝－46 kJ·mol-1，故答案为：－46；

(3)①M点未达到平衡，向正方向进行，正反应速率减小；N点达到平衡，正、逆反应速率相等，所以，M点正反应速率大于N点逆反应速率，故答案为：大于；

②υ(H2)＝mol·L-1min-1＝0.225 mol·L-1min-1，故答案为：0.225；

③ CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)

起始浓度(mol/L) 1 3.25 0 0

转化浓度(mol/L) 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡浓度(mol/L) 0.25 1.00 0.75 0.75

K＝＝(Lmin-1)2＝2.25 (Lmin-1)2，故答案为：2.25 (Lmin1)2；

(4)①单位时间内反应物转化率与速率有关。分析R点转化率最大，从两个角度考虑：一是平衡前，温度对反应速率的影响，单位时间内转化率，其实与速率相关。二是平衡后，升温，平衡移动。即R点之前未达到平衡，温度升高，反应速率加快，单位时间内转化率增大；R点为平衡点，该反应正反应是放热反应，升温平衡向左移动，转化降低，故答案为：R点之前未达到平衡，温度升高，反应速率加快，单位时间内转化率增大；R点为平衡点，该反应正反应是放热反应，R点之后，升温平衡向左移动，转化降低；

②从催化剂活性角度解释Q点转化率突变。即Q点对应的温度使催化剂失去活性(或该温度下催化剂的选择性降低)，故答案为：Q点对应的温度使催化剂失去活性(或该温度下催化剂的选择性降低)；

(5)负极上甲醇发生氧化反应，氧化产物为KHCO3。故负极的电极反应式为CH3OH－6e＋7OH＝HCO3＋5H2O，故答案为：CH3OH－6e＋7OH＝HCO3＋5H2O。