Question

3．二氧化碳是引起“温室效应”的主要物质，节能减排，高效利用能源，能够减少二氧化碳的排放．

（1）在一定温度下的2L固定容积的密闭容器中，通入2molCO₂和3mol H₂，发生的反应为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），测得CO₂（g）和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图1所示．
①能说明该反应已达平衡状态的是AB．（选填编号）
A．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变
B．混合气体的平均相对分子质量不随时间的变化而变化
C．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4molH₂O
D．该体系中H₂O与CH₃OH的物质的量浓度之比为1：1，且保持不变
②计算该温度下此反应的平衡常数K=0.20．（保留两位有效数字）．若改变条件C（填选项），可使K=1．
A．增大压强   B．增大反应物浓度   C．降低温度 D．升高温度   E．加入催化剂
（2）某甲醇燃料电池原理如图2所示．
①M区发生反应的电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺．
②用上述电池做电源，用图3装置电解饱和食盐水（电极均为惰性电极），则该电解的总反应离子方程式为：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2 OH^-．假设溶液体积为300mL，当溶液的pH值变为13时（在常温下测定），理论上消耗甲醇的质量为0.16g（忽略溶液体积变化）．
（3）有一种用CO₂生产甲醇燃料的方法：
已知：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
CH₃OH（g）=CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-c kJ•mol^-1；
H₂O（g）=H₂O（l）△H=-d kJ•mol^-1，
则表示CH₃OH（l）燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）①化学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断；
②根据图象数据结合平衡常数K的计算公式进行计算，根据K仅与温度有关及反应为放热来判断改变条件；
（2）①依据原电池装置图象分析，氢离子移向正极，所以M为原电池负极，N为正极，负极是甲醇燃料失电子在酸性介质中生成二氧化碳，据此书写电极反应；
②电解饱和食盐水生成氯气、氢气和氢氧化钠，结合化学方程式书写离子方程式；依据电子守恒计算消耗甲醇质量；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
②CH₃OH（g）═CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-c kJ•mol^-1；
④H₂O（g）═H₂O（l）△H=-d kJ•mol^-1，
依据盖斯定律计算③×$\frac{3}{2}$+2④-①-②，由此解答．

解答 解：（1）①A．CO₂的体积分数在混合气体中保持不变，则能说明达到平衡状态，故A正确；
B．混合气体的平均相对分子质量不随时间的变化而变化，说明气体的总物质的量不变，说明达到平衡状态，故B正确；
C．单位时间内每消耗1.2mol H₂，同时生成0.4molH₂O，不能体现正逆反应，故不能说明达到平衡状态，故C错误；
D．H₂O与CH₃OH都是产物，并且按照1：1的比例生成，所以H₂O与CH₃OH的物质的量浓度之比一直为1：1，不能说明达到平衡状态，故D错误；
故选AB；
③由图象数据CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）得
   开始浓度：1      1.5         0        0
   转化浓度：0.25   0.75       0.25     0.25
   平衡浓度：0.75    0.75      0.25     0.25
所以K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.7{5}^{3}}$=0.20，则要使K=1，又反应放热所以降低温度使平衡向正反应方向移动，
故答案为：0.20；C；
（2）①M区是质子流出的一极，应是原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，故答案为：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②电解饱和食盐水生成氯气、氢气和氢氧化钠，结合化学方程式书写离子方程式为：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2 OH^-；
溶液体积为300mL，当溶液的pH值为13时，溶液中氢氧根离子浓度c（OH^-）=0.1mol/L，生成氢氧根离子物质的量=消耗氢离子物质的量=0.1mol/L×0.3L=0.03mol，依据电极反应和电子守恒计算，CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，2H⁺+2e^-=H₂↑，CH₃OH～6H+，甲醇物质的量=0.005mol，质量=0.005mol×32g/mol=0.16g；
故答案为：2Cl^-+2H₂O $\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2 OH^-；0.16g；
（3）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-a kJ•mol^-1；
②CH₃OH（g）═CH₃OH（l）△H=-b kJ•mol^-1；
③2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-c kJ•mol^-1；
④H₂O（g）═H₂O（l）△H=-d kJ•mol^-1，
依据盖斯定律计算③×$\frac{3}{2}$+2④-①-②得到表示CH₃OH（l）燃烧热的热化学方程式为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1；
故答案为：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律计算分析化学平衡影响因素，平衡移动原理的分析判断，注意图象分析应用，原电池、电解池原理的分析判断，掌握基础是关键，题目难度中等．