Question

4．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），下图1表示该反应过程中能量（单位为kJ•mol^-1）的变化．

（1）关于该反应的下列说法中，正确的是A（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上图2所示．
①从反应开始到平衡，H₂的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）；CO₂的转化率a（CO₂）=75%．
②该反应的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$．（只列表达式和计算式，不必计算出结果）
③下列措施中能使化学平衡向正反应方向移动的是AD （填字母）．
A．将CH₃OH（g）及时液化抽出B．升高温度
C．选择高效催化剂D．再充入l molCO₂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350.8kJ的热量，写出该反应的热化学方程式：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-701.6 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，其负极的电极反应式是：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）正反应气体的物质的量减少，混乱度减小；由于反应物能量高于生成物的能量，反应是放热反应；
（2）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：
              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
①根据c=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂），二氧化碳转化率=$\frac{C{O}_{2}浓度变化量}{C{O}_{2}起始浓度}$×100%；
②平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③A．将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量平衡正向进行；
B．反应是放热反应，升温平衡逆向进行；
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3molH₂，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350.8kJ的热量，则1mol甲醇完全燃烧恢复到原状态时，放出热量=350.8kJ×$\frac{1mol×32g/mol}{16g}$=701.6kJ，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
（4）负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水．

解答 解：（1）正反应气体的物质的量减少，混乱度减小，故△S＜0；由于反应物能量高于生成物的能量，反应是放热反应，则△H＜0，
故选：A；
（2）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：
             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
①则v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L•min），二氧化碳转化率=$\frac{0.75mol/L}{1mol/L}$×100%=75%，
故答案为：0.225mol/（L•min）；75%；
②平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.75mol/L×0.75mol/L}{0.25mol/L×（1.75mol/L）^{3}}$；
③A．将CH₃OH（g）及时液化抽出，减小生成物的量平衡正向进行，故A正确；
B．反应是放热反应，升温平衡逆向进行，故B错误；
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3molH₂，增大压强平衡正向进行，故D正确，
故选：AD；
（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350.8kJ的热量，则1mol甲醇完全燃烧恢复到原状态时，放出热量=350.8kJ×$\frac{1mol×32g/mol}{16g}$=701.6kJ，故甲醇燃烧的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-701.6 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-701.6 kJ•mol^-1；
（4）负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应式为：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH+8OH^?-6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、热化学方程式书写、原电池等，注意对你基础知识的理解掌握，难度中等．