Question

19．甲醇（CH₃OH）是一种优质燃料，
（1）已知一定条件下88gCO₂和足量氢气完全反应三可生成气态甲醇（CH₃OH）和水蒸汽并放出98kJ的热量．请回答：
①该反应的热化学方程式：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．
②若生成3mol甲醇放出的热量为147KJ．
③利用该反应能否设计一个原电池（写能或不能）能，若能请在方框内画出，并写出正负极的电极的电极反应式（括号内注明反应类型）正极电极反应：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O（还原反应）负极电极反应为：3H₂-6e^-=6H⁺（氧化反应）；若不能，请说明原因：空
（2）为探究用CO₂来生产燃料甲醇的反应原理，现进行如下实验：在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，一定条件下发生反应，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图．请回答：
①从反应开始到平衡，氢气的反应速率：v（H₂）=0.225mol•L^-1•min^-1 ．
②下列措施中能使v（CO₂）增大的是AD．
A．加入催化剂                  B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离      D．升高温度
③能够说明该反应已达到平衡的是AC．
A．恒温、恒容时，容器内的压强不再变化
B．恒温、恒容时，容器内混合气体的密度不再变化
C．一定条件下，CO₂、H₂和CH₃OH的浓度不再变化
D．一定条件下，单位时间内消耗3molH₂的同时生成1molCH₃OH．
E．有2个C=O键断裂的同时，有3个H-H键断裂．

Answer 1

分析 （1）①根据n=$\frac{m}{M}$计算88gCO₂和氢气化合生成甲醇和水放出的热量，结合热化学方程式书写方法标注物质聚集状态和反应焓变写出；
②反应热与化学计量数成正比，根据热化学方程式计算；
③反应焓变△H＜0，△S＜0，低温下△H-T△S＜0反应自发进行，此反应为氧化还原反应可以设计为原电池；
（2）在体积为l L的密闭容器中，充入l mol CO₂和3mol 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图2所示．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；
①依据化学平衡三段式列式利用V=$\frac{△c}{△t}$计算；
②依据升温，增加浓度，加压，加催化剂等可以加快反应速率判断；
③可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等（同种物质）或正逆反应速率之比等于系数之比（不同物质），平衡时各种物质的物质的量、浓度等不再发生变化，由此衍生的一些物理量不变，以此分析解答．

解答 解：（1）①88gCO₂的物质的量为n=$\frac{m}{M}$=$\frac{88g}{44g/mol}$=2mol，放出98kJ的热量，每1molCO₂和足量氢气完全反应三可生成1mol气态甲醇（CH₃OH）和1mol 水蒸汽并放出49kJ的热量，热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol；
②每1molCO₂和足量氢气完全反应三可生成1mol气态甲醇（CH₃OH）和1mol 水蒸汽并放出49kJ的热量，若生成3mol甲醇放出的热量为49kJ×3=147KJ，
故答案为：147KJ；
③CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，反应焓变△H＜0，△S＜0，低温下△H-T△S＜0反应自发进行，此反应为氧化还原反应可以设计为原电池，酸性溶液中，二氧化碳在正极发生还原反应，电极反应为CO₂+6e^-+6H⁺=CH₃OH+2H⁺，氢气失电子在负极发生氧化反应，电极反应为：3H₂-6e^-=6H⁺，装置图为：
 正极电极反应：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O （还原反应）负极电极反应为：3H₂-6e^-=6H⁺（氧化反应）
故答案为：能；正极电极反应：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O （还原反应）负极电极反应为：3H₂-6e^-=6H⁺（氧化反应）

（2）在体积为l L的密闭容器中，充入l mol CO₂和3mol 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图2所示．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①依据化学平衡列式计算为：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L） 1       3         0         0
变化量（mol/L） 0.75   2.25     0.75      0.75
平衡量（mol/L） 0.25    0.75     0.75      0.75
H₂的平均反应速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol•L^-1•min^-1 ；
故答案为：0.225mol•L^-1•min^-1 ；
②A．加入催化剂，v （CO₂）增大，故A正确；
B．充入He（g），使体系压强增大，但反应物浓度不变，所以v （CO₂）不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，则生成物浓度减小，则浓度减小，故C错误；
D．升高温度，v （CO₂）增大，故D正确；
故选：AD；
③A．反应前后气体的体积不等，所以压强一直在变，则当压强不变时能说明达到平衡，故A正确；
B．反应前后质量不变，体积也不变，所以密度一直不变，则混合气体的密度不再变化不能说明达到平衡，故B错误；
C．CO₂、H₂和CH₃OH的浓度不再变化，说明达到平衡，故C正确；
D．单位时间内消耗3molH₂的同时生成1molCH₃OH，都是指正反应方向，不能说明达到平衡，故D错误；
E．CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol，CO₂结构简式为O=C=O，1个分子有2个C=O键，当2个C=O键断裂的同时，必有3个H-H键断裂．与是否已达到平衡无关，故E错误；
故选AC．

点评 本题考查了热化学方程式的书写原则，化学反应速率、平衡状态的判断以及化学平衡的计算的应用，图象分析是关键，综合性较大，难度中等．