Question

20．全球气候变暖已经成为全世界人类面临的重大问题，温家宝总理在“哥本哈根会议”上承诺到2020年中国减排温室气体40%．

（1）降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为2L的恒容密闭容器中，充入2mol CO₂和6mol H₂，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．测得CO₂和CH₃OH_（g）的浓度随时间变化如图1所示．
①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）；
②氢气平衡时的物质的量浓度为0.75mol/L；
③下列措施中能使平衡体系中n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是CD．
A．升高温度
B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离出去
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
④当反应达到平衡时，H₂的物质的量浓度为c₁，然后向容器中再加入1mol CH₃OH和1mol H₂O，待反应再一次达到平衡后，H₂的物质的量浓度为c₂．则c₁＜c₂的关系（填＞、＜、=）．
（2）减少温室气体排放的关键是节能减排，大力开发利用燃料电池就可以实现这一目标．如图2所示甲烷燃料电池就是将电极表面镀一层细小的铂粉，铂吸附气体的能力强，性质稳定．将其插入KOH溶液从而达到吸收CO₂的目的．请回答：
①通入甲烷一极的电极反应式为CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
②随着电池不断放电，电解质溶液的pH减小（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③通常情况下，甲烷燃料电池的能量利用率大于（填“大于”、“小于”或“等于”）甲烷燃烧的能量利用率．

Answer 1

分析 （1）①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算；
②根据氢气的平衡浓度判断转化的物质的量，进而可计算转化率；
③要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动；
④若是恒容密闭容器，加入1mol CH₃OH和1mol H₂O，虽然逆向移动，平衡移动的结果是减弱这种改变，而不能消除这种改变，即虽然平衡逆向移动，氢气的物质的量基础上增强；
（2）①甲烷燃料电池中，负极上投放燃料甲烷，发生失电子发生氧化反应，正极上投放氧气，发生得电子的还原反应，总反应是燃料和氧气反应的化学方程式；
②根据电池的总反应确定酸碱性的变化；
③根据能量转化情况来回答．

解答 解：（1）①利用三段式解题法计算   
                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
从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.225；
②氢气平衡时的物质的量浓度为0.75mol/L，
故答案为：0.75mol/L；
③要使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，应使平衡向正反应方向移动，
A．因正反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，但对反应物质来说，浓度没有变化，平衡不移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）不变，故D错误．故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应方法移动，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正确；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效于在原来基础上缩小体积一半，压强增大，平衡向正反应方向移动，则n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正确．
故答案为：CD；
④若是恒容密闭容器，加入1mol CH₃OH和1mol H₂O，虽然逆向移动，平衡移动的结果是减弱这种改变，而不能消除这种改变，即虽然平衡逆向移动，氢气的物质的量基础上增强，且平衡常数不变达到平衡时H₂的物质的量浓度与加氢气之前相比一定增大，故c₁＜c₂，故答案为：＜；
（2）①在碱性溶液中，负极上投放燃料甲烷，发生失电子发生氧化反应：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O，故答案为：CH₄-8e^-+10OH^-═CO₃^2-+7H₂O；
②燃料电池的总反应是：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，消耗氢氧根离子，所以碱性减弱，pH减小，故答案为：减小；
③甲烷燃烧时要放出热量、光能，所以燃料电池中甲烷的利用率比甲烷燃烧的能量利用率高，故答案为：大于．

点评 本题考查较为综合，涉及热化学、电化学以及化学平衡计算以及平衡移动等问题，题目难度较大，注意根据图象计算各物质的平衡浓度为解答该题的关键．