Question

10．实现节能减排和低碳经济的一项重要课题就是研究如何将CO₂转化为可利用的资源，目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），图1表示该反应过程中能量（单位为kJ/mol）的变化，据此回答下列有关问题：

（1）25℃时，1.01×10⁵Pa，16g液态甲醇完全燃烧，当恢复到原状态时放出363.3kJ的热量，写出该反应的热化学方程式CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1．
（2）为探究反应原理，现进行如下实验：某温度下，在体积为lL的密闭容器中充入lmolCO₂和4molH₂，一定条件下发生反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），测得CO₂的浓度随时间变化如图2所示．
①从反应开始到平衡，CH₃OH的平均反应速率v（CH₃OH）=0.075mol/（L•min）；H₂的转化率为56.25%．
②若向该容器中加入 amolCO₂、bmolH₂、cmolCH₃OH（g）和dmolH₂O（g），且a、b、c、d均大于0，在相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与上述平衡相同，试比较反应放出的能量：①大于②（填“大于”“小于”或“等于”）
③下列措施中能使H₂的转化率提高的是BD（填字母）．
A．升高温度                   
B．将CH₃OH（g）及时液化抽出
C．选择高效催化剂                
D．相同条件下 再充入lmolCO₂和4molH₂
（3）甲醇是一种可再生能源具有广泛的开发和应用前景．某实验小组用一种以甲醇为原料的燃料电池作为电源，设计了一种电解法制取Fe（OH）₂的实验装置如图3所示，通电后溶液中产生大量白色沉淀且较长时间不变色．
①该燃料电池的负极反应为CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．
②下列说法中正确的是BD（填序号）
A．电源中的负极附近 pH升高
B．电极B的发生氧化反应
C．A、B两端都必须用铁作电极
D．阴极发生的反应是2H⁺+2e^-=H₂↑
E．电解的电解质溶液可以是CuSO₄溶液
③若电池中甲醇的通入量为8g，且反应完全，则理论上最多能产生沉淀67.5g．

Answer 1

分析 （1）25℃，1.01×10⁵Pa时，16g 液态甲醇完全燃烧，当恢复到原状态时，放出363.3kJ的热量，依据书写热化学方程式的方法写出该反应的热化学方程式；
（2）①根据反应速率v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率，转化率等于变化浓度和初始浓度的比值；
②相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与（1）中平衡相同，说明两平衡为完全等效平衡，（1）中转化率比（2）中的高，参加反应的氮气的物质的量较（2）多；
③能使H₂的转化率提高的措施是促使化学平衡正向移动的措施，但是不能增加氢气的投料；
（3）燃料电池是原电电池装置，通入燃料CH₃OH是负极，发生氧化反应，通入氧气的电极是正极，该电极上发生得电子的还原反应，电解法制取Fe（OH）₂的阳极材料是金属铁，该电极上金属铁失电子发生氧化反应，在阴极上发生的反应是2H⁺+2e^-=H₂↑，在阴极附近可以产生氢氧化亚铁沉淀，根据电极反应式进行计算．

解答 解：（1）25℃，1.01×10⁵Pa时，16g 液态甲醇物质的量为0.5mol，完全燃烧，当恢复到原状态时，放出363.3kJ的热量，依据书写热化学方程式的方法写出该反应的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-726.6 kJ•mol^-1．
（2）①在体积为lL的密闭容器中充入lmolCO₂和4molH₂，一定条件下发生反应：
                   CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
初始浓度：1              4                0                 0
变化浓度：0.75          2.25            0.75             0.75
平衡浓度：0.25           1.75            0.75             0.75
从反应开始到平衡，CH₃OH的平均反应速率v（CH₃OH）=$\frac{0.75mol/L}{10min}$=0.075mol/（L•min）；H₂的转化率为$\frac{2.25}{4}$×100%=56.25%，故答案为：0.075mol/（L•min））；56.25%；
②相同条件下达到平衡时，混合物中各组分的物质的量与（1）中平衡相同，说明两平衡为完全等效平衡，平衡时氨气的物质的量相同，由于（2）中起始含有cmol NH₃，故（2）中反应生成的氨气比（1）少，（1）中参加反应的氮气的物质的量较（2）多，所以放出的热量（1）＞（2）．
故答案为：大于；
③A．反应是放热的，升高温度，平衡逆向移动，所以氢气的转化率减小，故错误；
B．将CH₃OH（g）及时液化抽出，平衡正向移动，所以氢气的转化率增大，故正确；
C．选择高效催化剂，能加快反应速率，但是不会引起化学平衡的移动，转化率不变，故错误；
D．相同条件下 再充入lmolCO₂和4molH₂相当于对平衡加压，所以反应物的转化率增加，故正确，故选BD；
（3）①燃料电池是原电电池装置，通入燃料CH₃OH是负极，发生氧化反应，电极反应为：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；故答案为：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O；
②A．电源中的负极附近发生反应：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，pH降低，故错误；
B．电极B和电源正极相连，是阳极，该电极上发生氧化反应，故正确；
C．电解法制取Fe（OH）₂的阳极B材料是金属铁，该电极上金属铁失电子发生氧化反应，但是A电极不一定用金属铁，故错误；
D．阴极发生的反应是还原反应：2H⁺+2e^-=H₂↑，该电极附近氢氧根离子浓度增加，产生氢氧化亚铁，故正确；
E．电解的电解质溶液不能是CuSO₄溶液，这样的话在阴极上产生金属铜，发生的反应是金属铁置换铜的反应，不能得到氢氧化亚铁，故错误；
故选BD；
③若电池中甲醇的通入量为8g，且反应完全，根据负极反应：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，转移电子的物质的量是$\frac{8g}{32g/mol}$×6=1.5mol，根据Fe～2e^-～Fe（OH）₂，则理论上最多能产生Fe（OH）₂沉淀质量：$\frac{1.5mol}{2}$×90g/mol=67.5g，故答案为：67.5．

点评 本题考查综合考查电极反应式的书写、计算、盖斯定律的应用和热化学方程式的书写、速率和平衡的计算等知识，题目难度中等．