Question

1．CO₂ 加氢合成甲醇可有效利用CO₂．由CO₂制备甲醇过程涉及反应如下：
反应Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反应Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反应Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
回答下列问题：
（1）△H₂=+41.19 kJ•mol^-1kJ/mol；升高温度会使反应Ⅱ向正（填“正”、“逆”）方向移动．
（2）一定条件下在3L恒容密闭容器中充入一定量的H₂和CO₂仅发生反应Ⅰ，实验测得反应物在不同起始投入量下，反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线如图1所示：
①H₂和CO₂的起始的投入量以A和B两种方式投入：
A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol
B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，曲线Ⅱ代表B（填“A”或“B”）投入方式．
②在温度为500K的条件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡：
a．此温度下的平衡常数为450；500K时，若在此容器中开始充入0.3molH₂和0.9mol
CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，若使反应在开始时能正向进行，则x应满足的条件是0＜x＜2.025．
b．在此条件下，系统中CH₃OH的浓度随时间的变化如图2所示，当反应时间达到3min时，迅速升温至600K，请在图2中画出3～10min内容器中CH₃OH浓度变化曲线．
（3）新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子（O^2-）在其间通过．如图3所示，其中多孔电极不参与电极反应．
①该电池的负极反应式为CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O．
②如果用该电池作为电解装置，当有16g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量表达式为2.895×10⁵C（1个电子的电量为1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；正反应如果是吸热反应升高温度平衡正向移动；
（2）①图象分析相同温度下，两种反应物，增大一种物质的量会提高另一种物质的转化率；
②a．结合三行式进行计算，化学反应的平衡常数K各个生成物平衡浓度系数次方的乘积和各个反应物平衡浓度系数次方乘积的比值，据此计算；
b．将体系温度升至600K，根据升高温度，平衡向着吸热方向来进行回答；
（3）①以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O^2-）在其间通过，分析该电池的工作原理如图3所示可知负极是甲烷失电子发生氧化反应，结合导电离子和电荷守恒分析书写；
②依据电极反应计算转移电子数，结合法拉第常数为9.65×10⁴C•mol^-1计算电量．

解答 解：（1）反应Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反应Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反应Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
根据盖斯定律，反应Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反应Ⅱ的焓变△H₂=（-49.58kJ•mol^-1）-（-90.77kJ•mol^-1）=+41.19 kJ•mol^-1；根正反应是吸热反应升高温度平衡正向移动，
故答案为：+41.19 kJ•mol^-1；正向；
（2）①A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol，B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，二者比较B相当于增大二氧化碳的量，转化率小于A，所以曲线Ⅱ代表B的投料，
故答案为：B；
②在温度为500K的条件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min时达到平衡，二氧化碳的转化率是60%，
          CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始浓度：0.5      1         0         0
变化浓度：0.3     0.9      0.3       0.3
平衡浓度：0.2     0.1      0.3       0.3
a．该温度下，反应I的平衡常数K=$\frac{0.3×0.3}{0.2×0．{1}^{3}}$=450，
500K时，若在此容器中开始充入0.3molH₂和0.9mol CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，浓度分别为0.1mol/L，0.3mol/L，0.2mol/L，$\frac{x}{3}$mol/L
若使反应在开始时正向进行，浓度商Qc=$\frac{0.2×\frac{x}{3}}{0.3×0．{1}^{3}}$＜K=450
x=2.025
则x应满足的条件是0＜x＜2.025
故答案为：450，0＜x＜2.025；
b．当反应时间达到3min时，迅速将体系温度升至600K，则平衡正向进行，甲醇的浓度会增加，图象为，
故答案为：；
（3）①以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O^2-）在其间通过，分析该电池的工作原理如图3所示可知负极是甲烷失电子发生氧化反应，结合导电离子和电荷守恒分析书写电极反应为：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O；
②16g甲醇物质的量=$\frac{16g}{32g/mol}$=0.5mol，发生反应时电子转移0.5mol×6=3mol，则理论上提供的电量最多为3mol×9.65×10⁴C•mol^-1=2.895×10⁵ C，
故答案为：2.895×10⁵ C．

点评 本题综合考查学生盖斯定律的应用、化学反应速率的计算、化学平衡移动的影响因素等知识，属于综合知识的考查，难度较大．