Question

5．全球氣候變暖已經(jīng)成為全世界人類(lèi)面臨的重大問(wèn)題，溫家寶總理在“哥本哈根會(huì)議”上承諾到2020年中國(guó)減排溫室氣體40%．
（1）地球上的能源主要源于太陽(yáng)，綠色植物的光合作用可以大量吸收CO₂以減緩溫室效應(yīng)，主要過(guò)程可以描述分為下列三步（用“C₅”表示C₅H₁₀O₄，用“C₃”表示C₃H₆O₃）：
Ⅰ、H₂O（l）═2H⁺（aq）+$\frac{1}{2}$O₂（g）+2e^-△H=+284kJ/mol
Ⅱ、CO₂（g）+C₅（s）+2H⁺（aq）═2C₃⁺（s）△H=+396kJ/mol
Ⅲ、12C₃⁺（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6C₅（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ/mol
寫(xiě)出綠色植物利用水和二氧化碳合成葡萄糖并放出氧氣的熱化學(xué)方程式6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1．
（2）降低大氣中CO₂的含量及有效地開(kāi)發(fā)利用CO₂，目前工業(yè)上有一種方法是用CO₂來(lái)生產(chǎn)燃料甲醇．為探究反應(yīng)原理，現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)，在體積為1L的恒容密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol．測(cè)得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如圖1所示．
①?gòu)姆磻?yīng)開(kāi)始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）；
②氫氣的轉(zhuǎn)化率=75%；
③該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④下列措施中能使平衡體系中n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是CD．
A．升高溫度                          B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大
C．將H₂O（g）從體系中分離出去          D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
⑤當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，H₂的物質(zhì)的量濃度為c₁，然后向容器中再加入一定量H₂，待反應(yīng)再一次達(dá)到平衡后，H₂的物質(zhì)的量濃度為c₂．則c₁＜c₂的關(guān)系（填＞、＜、=）．
（3）減少溫室氣體排放的關(guān)鍵是節(jié)能減排，大力開(kāi)發(fā)利用燃料電池就可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)．如圖2所示甲烷燃料電池就是將電極表面鍍一層細(xì)小的鉑粉，鉑吸附氣體的能力強(qiáng)，性質(zhì)穩(wěn)定．將其插入KOH溶液從而達(dá)到吸收CO₂的目的．請(qǐng)回答：
①通入氧氣一極的電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②隨著電池不斷放電，電解質(zhì)溶液的pH減�。ㄌ睢霸龃蟆�、“減小”或“不變”）．
③通常情況下，甲烷燃料電池的能量利用率大于（填“大于”、“小于”或“等于”）甲烷燃燒的能量利用率．

Answer 1

分析 （1）已知：Ⅰ．H₂O（l）═2H⁺（aq）+$\frac{1}{2}$O₂（g）+2e^-△H=+284kJ/mol
Ⅱ．CO₂（g）+C₅（s）+2H⁺（aq）═2C₃⁺（s）△H=+396kJ/mol
Ⅲ.12C₃⁺（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6C₅（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，Ⅱ×6+Ⅲ+Ⅰ×6可得：6CO₂（g）+6H₂O（g）=C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6O₂（g）；
（2）在體積為1L的恒容密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，10min平衡時(shí)甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度為0.25mol/L，則：
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開(kāi)始（mol/L）：1        3          0        0
變化（mol/L）：0.75     2.25       0.75     0.75
平衡（mol/L）：0.25     0.75       0.75     0.75
①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②氫氣的轉(zhuǎn)化率=$\frac{氫氣濃度變化量}{氫氣起始濃度}$×100%；
③平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，生成物濃度系數(shù)次冪乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪乘積之比；
④A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)；
B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，恒容條件下各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)；
C．將H₂O（g）從體系中分離出去，平衡正向移動(dòng)；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)；
⑤增大某一反應(yīng)物的濃度，平衡正向移動(dòng)，移動(dòng)結(jié)果不能消除該物質(zhì)濃度增大；
（3）①氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，獲得電子，在堿性條件下生成氫氧根離子；
②甲烷燃燒生成二氧化碳與水，二氧化碳又與氫氧化鈉反應(yīng)生成碳酸鈉，溶液堿性減弱；
③甲烷燃燒時(shí)要放出熱量、光能，所以燃料電池中甲烷的利用率比甲烷燃燒的能量利用率高．

解答 解：（1）已知：Ⅰ．H₂O（l）═2H⁺（aq）+$\frac{1}{2}$O₂（g）+2e^-△H=+284kJ/mol
Ⅱ．CO₂（g）+C₅（s）+2H⁺（aq）═2C₃⁺（s）△H=+396kJ/mol
Ⅲ.12C₃⁺（s）+12e^-═C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6C₅（s）+3O₂（g）△H=-1200kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，Ⅱ×6+Ⅲ+Ⅰ×6可得：6CO₂（g）+6H₂O（g）=C₆H₁₂O₆（葡萄糖、s）+6O₂（g），則△H=[（+284KJ/mol）+（+396KJ/mol）]×6+（-1200KJ/mol）=+2880KJ/mol，
故熱化學(xué)方程式為：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1，
故答案為：6CO₂（g）+6H₂O（l）=C₆H₁₂O₆（s）+6O₂（g）△H=+2880 kJ•mol^-1；
（2）在體積為1L的恒容密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，10min平衡時(shí)甲醇濃度為0.75mol/L，二氧化碳濃度為0.25mol/L，則：
             CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開(kāi)始（mol/L）：1       3         0         0
變化（mol/L）：0.75    2.25      0.75      0.75
平衡（mol/L）：0.25    0.75      0.75      0.75
①?gòu)姆磻?yīng)開(kāi)始到平衡，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.225；
②氫氣的轉(zhuǎn)化率=$\frac{2.25mol/L}{3mol/L}$×100%=75%，
故答案為：75%；
③平衡常數(shù)等于生成物的濃度冪之積除以反應(yīng)物的濃度冪之積，則K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④A．因正反應(yīng)放熱，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則比值減小，故A錯(cuò)誤；
B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，恒容條件下各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，比值不變，故B錯(cuò)誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，比值增大，故C正確；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，則比值增大，故D正確，
故答案為：CD；
⑤加入氫氣雖然正向移動(dòng)，平衡移動(dòng)的結(jié)果是減弱這種改變，而不能消除這種改變，即雖然平衡正向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量在增加后的基礎(chǔ)上減小，但是CO₂（g）濃度較小、CH₃OH（g） 濃度增大、H₂O（g）濃度增大，且平衡常數(shù)不變，達(dá)到新平衡時(shí)H₂的物質(zhì)的量濃度與之前相比一定增大，故c₁＜c₂，故答案為：＜；
（3）①氧氣發(fā)生還原反應(yīng)，獲得電子，在堿性條件下生成氫氧根離子，電極反應(yīng)式為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-，故答案為：O₂+4e^-+2H₂O=4OH^-；
②燃料電池的總反應(yīng)是：CH₄+2O₂+2KOH═K₂CO₃+3H₂O，消耗氫氧根離子，所以堿性減弱，pH減小，故答案為：減��；
③甲烷燃燒時(shí)要放出熱量、光能，所以燃料電池中甲烷的利用率比甲烷燃燒的能量利用率高，故答案為：大于．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、反應(yīng)速率計(jì)算、平衡常數(shù)、熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)、原電池等，題目比較綜合，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，難度中等．