Question

8．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．

（1）工业上常用高浓度的K₂CO₃ 溶液吸收CO₂，得溶液X，再利用电解法使K₂CO₃ 溶液再生，其装置示意图如图1：在阳极区发生的反应包括4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑和H⁺+HCO₃^-═H₂O+CO₂↑．简述CO₃^2-在阴极区再生的原理HCO₃^-存在电离平衡：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，阴极H⁺放电，浓度减小平衡右移．
（2）再生装置中产生的CO₂和H₂在一定条件下反应生成甲醇等产物，工业上利用该反应合成甲醇．
已知：25℃，101KPa下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O（g）═H₂O（g）△H₁=-242kJ/mol
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂ （g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol
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=-50 kJ/mol．
②如图2表示合成甲醇的反应的能量变化示意图，其中正确的是a（填字母序号）．
（3）在密闭的再生装置中，加入5mol H₂与2mol CO₂发生反应生成甲醇，反应达到平衡时，改变温度（T）和压强（P），反应混合物中甲醇（CH₃OH）的物质的量分数变化情况如图3所示，下列说法正确的是A、C、D
A．P₁＞P₂＞P₃＞P₄
B．甲醇的物质的量分数越高，反应的平衡常数越大
C．图示中，该反应的温度变化为：T₁＞T₂＞T₃＞T₄
D．T₄、P₄、时，H₂的平衡转化率为60%
（4）已知某种甲醇燃料电池中，电解质溶液为酸性，示意图如图4：工作结束后，B电极室溶液的pH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）．A电极附近甲醇发生的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑．

Answer 1

分析 （1）①阳极上氢氧根离子放电生成氧气；
②碳酸氢根离子程度电离平衡、氢氧根离子和碳酸氢根离子反应生成碳酸根离子；
（2）①根据盖斯定律计算；
②该反应是放热反应，反应物总能量大于生成物总能量，物质越稳定，其能量越小；
（3）A．增大压强，平衡正向移动，结合图象判断甲醇的物质的量分数变化情况判断压强大小；
B．平衡常数只与温度有关；
C．温度升高，平衡向着吸热方向进行，反之向着放热方向进行；
D．根据转化率等于变化量和初始量的比值进行计算即可；
（4）B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；A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．

解答 解：（1）①阳极上氢氧根离子放电生成氧气和水，电极反应式为4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑，
故答案为：4OH^--4e^-═2H₂O+O₂↑；
②HCO₃^-存在电离平衡：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，阴极H⁺放电浓度减小平衡右移，CO₃^2-再生
故答案为：HCO₃^-存在电离平衡：HCO₃^-?H⁺+CO₃^2-，阴极H⁺放电，浓度减小平衡右移；
（2）①H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₁=-242kJ/mol①
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol②
将方程式3①-②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该反应是放热反应，反应物总能量大于生成物总能量，物质越稳定，其能量越小，所以液态物质的能量小于气态物质，则符合条件的图象是a，
故答案为：a；
（3）A．增大压强，平衡正向移动，则反应混合物中甲醇（CH₃OH）的物质的量分数逐渐增大，即P₁＞P₂＞P₃＞P₄，故A正确；
B．平衡常数只受温度的影响，温度不变，平衡常数不变，故B错误；
C．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），△H＜0，此反应为放热反应，故升高温度，甲醇的含量减小，故T₁＞T₂＞T₃＞T₄，故C正确；
D．T₄、P₄时，甲醇的物质的量分数是0.2，设消耗氢气的物质的量是3x，
       3H₂（g）十CO₂（g）≒CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始量：5        2         0         0
变化量：3x       x         x         x
平衡量：5-3x    2-x        x         x
$\frac{x}{5-3x+2-x+2x}$=0.2，解得x=1，所以H₂的平衡转化率为$\frac{3}{5}$×100%=60%，故D正确；
故答案为：ACD；
（4）B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；A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：不变；CH₃OH+H₂O-6e^-═6H⁺+CO₂↑．

点评 本题考查较综合，涉及原电池原理、盖斯定律、电解原理等知识点，根据燃料电池中正负极发生的电极反应、盖斯定律的内涵、电解池中离子放电顺序来分析解答，难点是电极反应式的书写，难度中等．