Question

14．二氧化碳是引起“溫室效應”的主要物質(zhì)，節(jié)能減排，高效利用能源，能夠減少二氧化碳的排放．
（1）在一定溫度下的2L固定容積的密閉容器中，通入2mol CO₂和3mol H₂，發(fā)生的反應為：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=-a kJ•mol^-1（a＞0），測得CO₂（g）和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖1所示．
①能說明該反應已達平衡狀態(tài)的是AB．（選填編號）
A．CO₂的體積分數(shù)在混合氣體中保持不變
B．混合氣體的壓強不隨時間的變化而變化
C．單位時間內(nèi)每消耗1.2mol H₂，同時生成0.4molH₂O
D．該體系中H₂O與CH₃OH的物質(zhì)的量濃度之比為1：1，且保持不變
②計算該溫度下此反應的平衡常數(shù)K=0.20．（保留兩位有效數(shù)字）．若改變條件C（填選項），可使K=1．
A．增大壓強   B．增大反應物濃度   C．降低溫度
D．升高溫度   E．加入催化劑
（2）直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于其結構簡單、能量轉化率高、對環(huán)境無污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關注．DMFC的工作原理如圖2所示：
①通入a氣體的電極是電池的負（填“正”或“負”）極，其電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺
②常溫下，用此電池以惰性電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極共生成氣體1.12L（已折算為標準狀況下的體積），則電解后溶液的pH為13（忽略溶液的體積變化）
（3）有一種用CO₂生產(chǎn)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，
則表示CH₃OH（l）燃燒熱的熱化學方程式為：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化學反應達到化學平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，且不等于0，各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理量不發(fā)生變化，以此進行判斷；
②根據(jù)圖象數(shù)據(jù)結合平衡常數(shù)K的計算公式進行計算，根據(jù)K僅與溫度有關及反應為放熱來判斷改變條件；
（2）①根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應；
②根據(jù)電池反應為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，結合兩極生成氣體體積計算；
（3）已知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，根據(jù)蓋斯定律，將已知熱化學方程式按照$\frac{3}{2}$③+2×④-①-②可得目標反應．

解答 解：（1）①A．CO₂的體積分數(shù)在混合氣體中保持不變，則能說明達到平衡狀態(tài)，故A正確；
B．該反應過程中氣體的體積發(fā)生變化，則反應過程中壓強為變量，當氧混合氣體的壓強不隨時間的變化而變化，說明正逆反應速率相等，達到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．單位時間內(nèi)每消耗1.2mol H₂，同時生成0.4molH₂O，不能體現(xiàn)正逆反應，故不能說明達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；
D．H₂O與CH₃OH都是產(chǎn)物，并且按照1：1的比例生成，所以H₂O與CH₃OH的物質(zhì)的量濃度之比始終為1：1，不能說明達到平衡狀態(tài)，故D錯誤；
故答案為：AB；
②由圖象數(shù)據(jù)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）得
   開始濃度：1              1.5              0                   0
  轉化濃度：0.25          0.75           0.25             0.25 
  平衡濃度：0.75          0.75           0.25             0.25 
所以該穩(wěn)定性該反應的平衡常數(shù)為：K=$\frac{0.25×0.25}{0.75×0.7{5}^{3}}$=0.20；則要使平衡常數(shù)K=1，又反應放熱所以降低溫度使平衡向正反應方向移動，故C正確，
故答案為：0.20；C；
（2）（4）①根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應，負極反應式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用此電池以惰性電極電解飽和食鹽水的電池反應為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，當兩極共收集到標準狀況下的氣體1.12L（0.05mol）時，則生成氫氧化鈉的物質(zhì)的量是0.05mol，所以C（OH^-）=$\frac{0.05mol}{0.5L}$=0.1mol/L，所以pH=13，
故答案為：13；
（3）已知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
根據(jù)蓋斯定律，$\frac{3}{2}$③+2×④-①-②可得，CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=$\frac{3}{2}$（2c kJ•mol^-1）+（-d kJ•mol^-1）×2-（-a kJ•mol^-1）-（-b kJ•mol^-1）=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1，
所以CH₃OH（l）燃燒熱的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-（$\frac{3}{2}$c+2d-a-b）kJ•mol^-1．

點評 本題考查較為綜合，涉及化學平衡常數(shù)的計算、化學平衡狀態(tài)判斷、蓋斯定律應用、原電池原理等知識，題目難度中等，明確化學平衡及其影響為解答關鍵，注意掌握化學平衡三段式在化學平衡計算中的應用，試題培養(yǎng)了學生的分析、理解能力及化學計算能力．