Question

1．人类活动产生的CO₂长期积累，威胁到生态环境，其减排问题受到全世界关注．CO₂和H₂在一定条件下反应生成甲醇（CH₃OH）等产生，工业上利用该反应合成甲醇．
已知：25℃，101kPa下：H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₁=-242kJ/mol
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂ （g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol
（1）写出CO₂和H₂生成气态甲醇等产物的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol；
（2）微生物燃料电池是一种利用微生物将化学能直接转化成电能的装置．已知某种甲醇微生物燃料电池中，电解质溶液为酸性，示意图如图所示：
①电池外电路电子的流动方向为从A到B（填写“从A到B”或“从B到A”）．
②工作结束后，B电极室溶液的酸性与工作前相比将不变（填写“增大”、“减小”或“不变”，溶液体积变化忽略不计）．
③A电极附近甲醇发生的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=6H⁺+CO₂↑；
（3）已知反应2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（二甲醚）（g）+H₂O（g），温度T₁时平衡常数为400，此温度下，在密闭容器中加入CH₃OH，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
浓度/（mol•L-1）	0.44	0.6	0.6

①比较此时正、逆反应速率的大小：V_正＞ V_逆（填“＞”“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，经10min反应达到平衡，此时C（CH₃OH）=0.04mol•L^-1；该时间内反应速率V（CH₃OH）=0.16mol•L^-1•min^-1．
（4）一定条件下CO和H₂也可以制备二甲醚，将amolCO与3amolH₂充入一固定体积的密闭容器中，发生反应3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（二甲醚） （g）+CO₂（g）△H＜0，要提高CO的转化率，可以采取的措施是ae（填字母代号）
a．分离出二甲醚   b．加入催化剂  c．充入He，使体系压强增大  d．增加CO的浓度
e．再充入1molCO和3molH₂．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算将方程式3×①-②得CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）的反应热化学方程式；
（2）①甲醇在负极失电子发生氧化反应，A为负极，氧气在正极得到电子发生还原反应，B为正极，电子从负极经外电路流向正极；
②B电极反应是氧气得到电子生成氢氧根离子在酸性溶液中生成水，氢离子通过交换膜移向正极，氢离子物质的量不变，溶液体积变化忽略不计，溶液中氢离子浓度不变；
③A电极是原电池负极，甲醇失电子发生氧化反应，在酸溶液中生成二氧化碳，由电荷守恒可知有H⁺生成；
（3）①根据反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$计算；
②利用三段式计算平衡时各组分浓度，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算反应速率；
（4）反应3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（二甲醚） （g）+CO₂（g）△H＜0，提高一氧化碳的转化率可以增大氢气的量，降低温度、中等压强使平衡正向进行．

解答 解：（1）①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₁=-242kJ/mol①
CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol②
将方程式3×①-②得CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=3×（-242kJ/mol）-（-676kJ/mol）=-50 kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
（2）①甲醇在负极失电子发生氧化反应，A为负极，氧气在正极得到电子发生还原反应，B为正极，电子从负极经外电路流向正极．即电子由A极经外电路流向B极，
故答案为：从A到B；
②B电极反应是氧气得到电子生成氢氧根离子在酸性溶液中生成水，氢离子通过交换膜移向正极，氢离子物质的量不变，溶液体积变化忽略不计，溶液中氢离子浓度不变，故溶液pH不变，
故答案为：不变；
③A电极是原电池负极，甲醇失电子发生氧化反应，在酸溶液中生成二氧化碳，由电荷守恒可知有H⁺生成，电极反应式为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑；
（3）①该反应的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，将所给浓度带入平衡常数表达式：$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86＜400，故反应向正反应方向进行，正反应速率大于逆反应速率，故答案为：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某时刻浓度（mol•L^-1）：0.44         0.6         0.6
转化浓度（mol•L^-1）：2x            x           x
平衡浓度（mol•L^-1）：0.44-2x      0.6+x        0.6+x
K=$\frac{（0.6+x）^{2}}{（0.44-2x）^{2}}$，解得x=0.2mol/L，
故平衡时c（CH₃OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，
起始时在密闭容器中加入CH₃OH，
则起始时甲醇的浓度为0.44moL/L+0.6mol/L×2=1.64mol/L，平衡时c（CH₃OH）=0.04mol/L，
则10min转化甲醇1.64moL/L-0.04moL/L=1.6mol/L，
所以甲醇的反应速率为v（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/（L•min），
故答案为：0.04 mol•L^-1； 0.16 mol/（L•min）．
（4）反应3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（二甲醚） （g）+CO₂（g）△H＜0，反应是气体体积进行的放热反应，依据化学平衡移动原理分析，增大一氧化碳转化率，平衡正向进行，
a．分离出二甲醚平衡正向进行，一氧化碳转化率增大，故a正确；   
b．加入催化剂改变反应速率不改变化学平衡，故b错误；  
c．恒容条件充入He，使体系压强增大，气体分液不变，浓度不变，平衡不变，故c错误；  
d．增加CO的浓度会提高氢气转化率，一氧化碳转化率减小，故d错误；
e．再充入1molCO和3molH₂．相当于中等压强，平衡正向进行，一氧化碳转化率增大，故e正确；
故答案为：ae．

点评 本题考查较综合，涉及原电池原理、盖斯定律、化学平衡影响因素、化学反应速率的计算等知识点，主要是化学平衡影响因素的分析判断和平衡计算应用，难度中等．