Question

能源短缺是人类社会面临的最大问题．甲醇是一种可再生能源，具有广泛的开发和应用前景．请回答下面有关甲醇参与反应的有关问题
（1）火力发电厂释放出的氮氧化物（NOx）、二氧化硫和二氧化碳等气体进行脱硝、脱硫和脱碳等处理．可实现绿色环保、节能减排、废物利用等目的．其中，脱碳时将CO₂转化为甲醉的热化学方程式为：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①取五份等体积CO₂和H₂的混合气体（物质的傲之比均为1：3），分别加入温度不同、容积相同的恒容密闭容器中，发生上述反应，反应相同时间后，测得甲醇的体积分数φ（CH₃OH）与反应温度T的关系曲线如下图甲所示，则上述CO₂转化为甲醇的反应中△H

 

0（填“＞“、“＜“或“=“）
②在一恒温恒容（容积为2L）密闭容器中充入2mol CO₂和6mol H₂，进行上述反应．测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如下图乙所示．试计算：0-10min内，氢气的平均反应速率v（H₂）=

 

；该温度下，反应的平衡常数K=

 

（2）已知在常温常压下：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2C₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
写出表示甲醉燃烧热的热化学方程式：

 

（3）某实验小组依据甲醇燃烧的反应原理，设计如下图丙所示的电池装置．
①该电池的正极反应式为

 

；负极反应式为

 

②工作一段时间后，当消耗3.2g甲醇时，同时消耗掉的KOH是

 

g．

Answer 1

分析：（1）①、由图可知最高点反应到达平衡，到达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，升高平衡向逆反应进行，据此判断；
②由图可知，0～10min内二氧化碳的浓度变化为1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，根据c=

△c

△t

计算v（CO₂），再利用各物质的反应速率之比等于计量数之比计算v（H₂）；利用三段式计算平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算平衡常数；
（2）依据热化学方程式和盖斯定律和燃烧热概念计算得到所需热化学方程式；
（3）①甲醇燃料电池的反应原理是原电池反应，燃料在负极失电子发生氧化反应，正极上是氧气得到电子发生还原反应；
②依据原电池反应化学方程式计算消耗氢氧化钾的质量；

解答：解：（1）①、由图可知最高点反应到达平衡，达平衡后，温度越高，φ（CH₃OH）越小，说明升高温度平衡向逆反应进行，升高温度平衡吸热方向进行，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，即△H₃＜0，故答案为：＜；
②由图可知，10min时，反应已经达平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min内，v（CO₂）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L?min），反应速率之比等于计量数之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min）；
开始CO₂的浓度为1mol/L，故容器的体积为

1mol

1mol/L

=1L，H₂的起始浓度为

3mol

1L

=3mol/L，则：
               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
故该温度下平衡常数k=

0.75×0.75

0.25×0.752

=5.33；
故答案为：0.225mol/（L?min）；5.33；
（2）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
依据盖斯定律①+②×4得到：2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1451.6kJ/mol
甲醇的燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol
故答案为：CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol；
（3）①原电池正极发生还原反应，氧气在正极放电，碱性条件下生成氢氧根离子，电极反应式为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，原电池负极反应是燃料失电子在氢氧化钾碱性溶液中生成碳酸盐，电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②该原电池实质为甲醇燃烧生成二氧化碳与水，二氧化碳在与氢氧化钾反应生成碳酸钾与水，该原电池总的反应式为：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，工作一段时间后，当消耗3.2g甲醇物质的量=

3.2g

32g/mol

=0.1mol，同时消耗掉的KOH是0.2mol，质量=0.2mol×56g/mol=11.2g；

故答案为：11.2；

点评：本题考查热化学反应方程式的书写、原电池、氧化还原反应的有关计算等，主要是原电池电极反应的分析应用，盖斯定律的计算应用，题目难度中等．