Question

15．二氧化碳是地球溫室效應的罪魁禍首，目前人們處理二氧化碳的方法之一是使其與氫氣反應合成甲醇．已知氫氣、甲醇燃燒的熱化學方程式如下：
①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-283.0  kJ/mol；
②2CH₃OH（1）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0  kJ/mol．
（1）完成二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-61.5kJ/mol
（2）為探究反應原理，現(xiàn)進行如下實驗，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，在500℃下發(fā)生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0  kJ/mol測得CO₂（g）和CH₃OH（l）的濃度隨時間的變化如圖所示，平衡時CH₃OH的體積分數(shù)為30%．
（3）已知反應2CH₃OH?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）在某溫度下的平衡常數(shù)為400．此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol/L）	0.44	0.6	0.6

①比較此時正、逆反應速率的大�。簐正＞（填“＞”、“＜“或“=”）v逆；
②若加入CH₃OH后，經(jīng)10min反應達到平衡，該時間內(nèi)反應速率v（CH₃OH）=0.16 mol/（L•min）．
（4）甲醇-空氣燃料電池是利用稀土金屬氧化物作為固體電解質(zhì)，這種稀土金屬氧化物在高溫下能傳導O^2-．
①負極發(fā)生的反應是CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O；
②在稀土金屬氧化物的固體電解質(zhì)中，O^2-的移動方向是A．（填字母）
A．從正極移向負極   B．從負極移向正極    C．從陽極移向陰極      D．從陰極移向陽極．

Answer 1

分析 （1）由①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-283.0  kJ/mol；
②2CH₃OH（1）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0  kJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=$\frac{3①-②}{2}$，進行計算求解；
（2）先根據(jù)濃度變化計算平衡時各物質(zhì)的濃度，CH₃OH的體積分數(shù)等于甲醇的物質(zhì)的量濃度與總物質(zhì)的量濃度之比；
（3）①根據(jù)反應的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$ 計算；
②利用三段式計算平衡時各組分濃度，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算反應速率；
（4）①甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應生成二氧化碳；
②原電池中陰離子移向負極．

解答 解：（1）由①2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（l）△H=-283.0  kJ/mol；
②2CH₃OH（1）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-726.0  kJ/mol；
根據(jù)蓋斯定律：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=$\frac{3①-②}{2}$=$\frac{3×（-283.0）-（-726.0）}{2}$=-61.5  kJ/mol，故答案為：-61.5  kJ/mol；
（2）開始時c（CO₂）=1mol/L、c（H₂）=3mol/L，平衡時c（CO₂）=0.25mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=0.75mol/L，則c（H₂）=3mol/L-0.75mol/L×3=0.75mol/L，CH₃OH的體積分數(shù)等于甲醇的物質(zhì)的量濃度與總物質(zhì)的量濃度之比，所以甲醇的體積分數(shù)=$\frac{0.75mol}{（0.25+0.75+0.75+0.75）mol/L}$×100%=30%，
故答案為：30%；
（3）①該反應的平衡常數(shù)表達式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達式：$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86＜400，故反應向正反應方向進行，正反應速率大于逆反應速率，故答案為：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某時刻濃度（mol•L^-1）：0.44         0.6          0.6
轉(zhuǎn)化濃度（mol•L^-1）：2x            x            x
平衡濃度（mol•L^-1）：0.44-2x       0.6+x         0.6+x
K=$\frac{（0.6+x）^{2}}{（0.44-2x）^{2}}$=400，解得x=0.2mol/L，
故平衡時c（CH₃OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，
起始時在密閉容器中加入CH₃OH，
則起始時甲醇的濃度為0.44moL/L+0.6mol/L×2=1.64mol/L，平衡時c（CH₃OH）=0.04mol/L，
則10min轉(zhuǎn)化甲醇1.64moL/L-0.04moL/L=1.6mol/L，
所以甲醇的反應速率為v（CH₃OH）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/（L•min），
故答案為：0.16 mol/（L•min）；
（4）①甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O；故答案為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂+2H₂O；
②依據(jù)電極反應分析可知原電池中陰離子移向負極，氧離子從正極流向負極移動；
故答案為：A．

點評 本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律計算應用，原電池原理分析判斷本題考查較為綜合，注意“始、轉(zhuǎn)、平”是解決有關(guān)化學平衡的“三段論”解題法，當三組量一旦確定，可以解答有關(guān)平衡的平衡常數(shù)計算、轉(zhuǎn)化率、反應速率、平衡時成分的體積分數(shù)等的關(guān)鍵，電極反應書寫方法，注意電解質(zhì)是固體，題目難度中等．