Question

【题目】甲醇作为基本的有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景，CO2加氢合成甲醇是合理利用CO2的有效途径，由CO2制备甲醇过程可能涉及反应如下：

反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-49.58kJ/mol

反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反应Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=-90.77kJ/mol

回答下列问题：

(1)反应Ⅱ的△H2=______ ，反应 I自发进行条件是 ______(填“较低温”、“较高温”或“任何温度”)。

(2)在一定条件下3 L恒容密闭容器中，充入一定量的H2和CO2仅发生反应Ⅰ，实验测得反应物在不同起始投入量下，反应体系中CO2的平衡转化率与温度的关系曲线，如图1所示。

①H2和CO2的起始的投入量以A和B两种方式投入

A：n(H2)=3 mol，n(CO2)=1.5 mol B：n(H2)=3 mol，n(CO2)=2 mol，

曲线 I代表哪种投入方式______(用A、B表示)。

②在温度为500K的条件下，按照A方式充入3 molH2和1.5 molCO2，该反应10 min时达到平衡：

a.此温度下的平衡常数为______；500K时，若在此容器中开始充入0.3 mol H2和0.9 molCO2、0.6 mol CH3OH、x mol H2O，若使反应在开始时正向进行，则x应满足的条件是 ______。

b.在此条件下，系统中CH3OH的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示，当反应时间达到3 min时，迅速将体系温度升至600 K，请在图2中画出3～10 min内容器中CH3OH浓度的变化趋势曲线__________。

(3)化物燃料电池是一种新型的燃料电池，它是以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过，该电池的工作原理如图3所示，其中多孔电极均不参与电极反应，图3是甲醇燃料电池的模型。

①写出该燃料电池的负极反应式 ______。

②如果用该电池作为电解装置，当有16 g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量最多为 ______(法拉第常数为9.65×104C/mol)

Answer 1

【答案】+41.19 kJ/mol 较低温 A 450 0<x<2.025 CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O 2.895×105 C

【解析】

(1)依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式，反应自发进行的判断依据是△G=△H-T△S<0；

(2)①图象分析相同温度下，两种反应物，增大一种物质的量会提高另一种物质的转化率；

②a．根据物质反应的转换关系计算；

b．将体系温度升至600K，根据升高温度，平衡向着吸热方向来进行回答；

(3)①以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过，分析该电池的工作原理如图3所示可知负极是甲醇失电子发生氧化反应，结合导电离子和电荷守恒分析书写；

②依据电极反应计算转移电子数，结合法拉第常数为9.65×104C/mol计算电量。

(1)反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-49.58kJ/mol

反应Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2

反应Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=-90.77kJ/mol

根据盖斯定律，反应Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反应Ⅱ的焓变△H2=(-49.58 kJ/mol)-(-90.77kJ/mol)=+41.19 kJ/mol；根据反应自发行的判据：△G=△H-T△S<0，反应Ⅲ是熵减的放热的反应，所以要自发进行需要在较低温下进行；

(2)①A：n(H2)=3 mol，n(CO2)=1.5 mol，B：n(H2)=3 mol，n(CO2)=2 mol，二者比较，B相当于增大二氧化碳的量，平衡正向移动，但CO2的转化率反而降低，转化率小于A，所以曲线该I代表A的投料；

②在温度为500K的条件下，在3 L恒容密闭容器中充入3 mol H2和1.5 mol CO2，该反应10 min时达到平衡，二氧化碳的转化率是60%，则转化的CO2物质的量浓度为△c(CO2)= ×60%=0.3 mol/L，根据反应方程式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)中物质反应关系可知，△c(H2)= 3△c(CO2)=0.9 mol/L，△c(CH3OH)=△c(H2O)=△n(CO2)=0.3mol/L，所以各种物质的平衡浓度：c(CO2)=(0.5-0.3) mol/L=0.2 mol/L，c(H2)=(1-0.9)mol/L=0.1mol/L；c(CH3OH)=c(H2O)=0.3 mol/L，所以

a.该温度下，反应I的平衡常数K==450，500K时，若在此容器中开始充入0.3molH2和0.9 mol CO2、0.6 mol CH3OH、x mol H2O，浓度分别为0.1 mol/L，0.3 mol/L，0.2 mol/L， mol/L，若使反应在开始时正向进行，浓度商Qc=<K=450，x=2.025，所以x应满足的条件是0<x<2.025；

b.当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，反应正向进行，反应速率加快，反应产生更多的甲醇，甲醇的浓度会增加，图象为。

(3)①以固体氧化锆氧化钇为电解质这种固体电解质在高温下允许氧离子(O2-)在其间通过，分析该电池的工作原理如图3所示可知负极是甲醇失去电子，发生氧化反应，结合导电离子和电荷守恒分析书写电极反应为：CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O；

②16g甲醇物质的量n(CH3OH)= =0.5 mol，则其发生反应时转移电子的物质的量n(e-)=0.5 mol×6=3 mol，因此理论上提供的电量最多Q=3 mol×9.65×104 C/mol=2.895×105 C。