Question

【题目】科学家利用太阳能分解水生成的氢气在催化剂作用下与二氧化碳反应生成甲醇，并开发出直接以甲醇为燃料的燃料电池。已知在常温常压下：

①2CH3OH(l) + 3O2 (g) = 2CO2(g) + 4H2O(g) H1= – 1276.0 kJ/mol

②2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g) H2 = – 482.0 kJ/mol；

③H2O(g) = H2O(l) H3= – 44.0 kJ/mol

(1)写出由CO2和H2合成甲醇和液态水的热化学方程式______________________。

(2)在容积为2 L的密闭容器中，通入2mol CO2和5mol H2合成甲醇，在其他条件不变的情况下，考察温度对反应的影响，实验结果如下图所示；

①T1 ______T2(填“<，>或=”)，处于A点的反应体系从T1变到T2，达到平衡时_______(填“增大，减小或不变”)。

②若在T2温度下5 min达到化学平衡，求平衡时用H2表示的平均反应速率为______。

(3)某实验小组依据甲醇燃烧的反应原理，设计下图所示的电池装置：

①写出电池负极的电极反应式：_____________________________________，该电池工作一段时间，测得溶液的pH________(填“增大，减小或不变”)。

②写出该电池总反应的离子方程式为________________________________________。

Answer 1

【答案】CO2 (g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l)　ΔH＝– 129 kJ·mol－1 < 增大 0.3 mol·L－1·min－1 CH3OH －6e + 8OH－＝CO32－＋6H2O 减小 2CH3OH＋3O2 + 4 OH－＝2CO32－＋6 H2O

【解析】

（1）根据盖斯定律进行计算；

（2）①由于该反应是放热反应，所以升高温度，平衡逆向移动，甲醇的含量降低，因此温度T2>T1，处于A点的反应体系从T1变到T2，因为温度从T1升高到T2时，平衡逆向移动，故氢气的物质的量增大，甲醇的物质的量减小，故n（H2）/n（CH3OH）增大；

②根据速率的计算公式进行计算；

（3）在甲醇燃料电池中，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，电解质溶液为碱性，总反应方程式为：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O。

（1）已知在常温常压下：①2CH3OH(l) +3O2 g)=2CO2(g)+4H2O(g) H1=–1276.0kJ/mol；②2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H2 =–482.0kJ/mol；③H2O(g)=H2O(l) H3=–44.0kJ/mol，根据盖斯定律由CO2和H2合成甲醇和液态水的热化学方程式为：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH=3/2H2+H3-1/2H1=（–482.0）×3/2+（–44.0）-（–1276.0）×1/2=-129kJ·mol－1，故答案为：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH＝–129kJ·mol－1。

（2）①由于该反应是放热反应，所以升高温度，平衡逆向移动，甲醇的含量降低，因此温度T2>T1，处于A点的反应体系从T1变到T2，因为温度从T1升高到T2时，平衡逆向移动，故氢气的物质的量增大，甲醇的物质的量减小，故n（H2）/n（CH3OH）增大，故答案为：<，增大。

②依据图像分析，若在T2温度下达到化学平衡时，甲醇的物质的量为1mol，依据化学方程式为：CO2＋3H2＝CH3OH＋H2O，甲醇物质的量的变化量为1mol，则消耗氢气的物质的量为3mol，平衡时用H2表示的平均反应速率为3mol÷2L÷5min=0.3mol·L－1·min－1，故答案为：0.3mol·L－1·min－1。

（3）在甲醇燃料电池中，燃料在负极失电子发生氧化反应，电解质溶液为碱性，负极的方程式为：CH3OH－6e+8OH－＝CO32－＋6H2O，电池工作一段时间后，氢氧根离子被消耗，所以溶液的pH减小，故答案为：CH3OH－6e+8OH－＝CO32－＋6H2O，减小。

由燃料电池是原电池的一种，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，电解质溶液为碱性，总反应方程式为：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O，故答案为：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O。