Question

10．目前工业上有一种方法是用CO₂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^-1）的变化．

（1）该反应为放热反应，原因是反应物的总能量高于生成物的总能量．
（2）下列能说明该反应已经达到平衡状态的是BCE（填序号）
A．v （H₂）=3v（CO₂）                   B．容器内气体压强保持不变
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH）             D．容器内气体密度保持不变
E．1mol H-O键断裂的同时2mol C=O键断裂
（3）在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．从反应开始到平衡，用氢气浓度变化表示的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L．min）． 达平衡时容器内平衡时与起始时的压强之比5：8 （或0.625）．
（4）甲醇、氧气在酸性条件下可构成燃料电池，其负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=6H⁺+CO₂，与铅蓄电池相比，当消耗相同质量的负极活性物质时，甲醇燃料电池的理论放电量是铅蓄电池的19.4倍（保留小数点后1位）．

Answer 1

分析 （1）由图可知，反应物的总能量大于生成物的总能量；
（2）结合平衡的特征“等、定”及衍生的物理量判断；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始   1                 3                 0                 0
转化  0.75            2.25              0.75             0.75
平衡 0.25             0.75             0.75             0.75
结合v=$\frac{△c}{△t}$、物质的量比等于压强比计算；
（4）甲醇、氧气在酸性条件下可构成燃料电池，负极上甲醇失去电子生成二氧化碳；铅蓄电池中负极材料为Pb，氧化为PbSO₄，结合电子转移守恒计算甲醇燃料电池的理论放电量与铅蓄电池的倍数．

解答 解：（1）由图可知，该反应中反应物的总能量大于生成物的总能量，则该反应为放热反应，
故答案为：放；反应物的总能量高于生成物的总能量；
（2）A．v （H₂）=3v（CO₂），始终存在，不能判断正逆反应速率关系，不能判定平衡状态，故A不选；                   
B．该反应为气体体积不等的反应，则容器内气体压强保持不变，达到平衡状态，故B选；
C．v_逆（CO₂）=v_正（CH₃OH），可知正逆反应速率相等，能判定平衡状态，故C选；             
D．混合气体的质量、体积不变，则容器内气体密度始终保持不变，不能判定平衡状态，故D不选；
E．1mol H-O键断裂的同时2mol C=O键断裂，可知正逆反应速率相等，能判定平衡状态，故E选；
故答案为：BCE；
（3）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始   1                 3                 0                 0
转化  0.75            2.25              0.75             0.75
平衡 0.25             0.75             0.75             0.75
从反应开始到平衡，用氢气浓度变化表示的平均反应速率为：v （H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L．min）； 达平衡时容器内平衡时与起始时的压强之比为：$\frac{0.25+0.75+0.75+0.75}{1+3}$=5：8 （或0.625），
故答案为：0.225mol/（L．min）； 5：8 （或0.625）；
（4）甲醇、氧气在酸性条件下可构成燃料电池，其负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=6H⁺+CO₂；铅蓄电池中负极材料为Pb，氧化为PbSO₄，甲醇燃料电池中负极通入甲醇，氧化生成CO₂，相同质量提供电子数目之比为：$\frac{1}{207}$×2：$\frac{1}{32}$×6=32：621，则甲醇燃料电池的理论放电量是铅蓄电池的$\frac{621}{32}$=19.4倍，
故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O=6H⁺+CO₂； 19.4．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡判定、反应热与焓变及原电池，为高频考点，把握化学平衡三段法、反应中能量变化、电极反应书写为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，综合性较强，题目难度中等．