Question

11．CO₂和CH₄是兩種重要的溫室氣體，通過CH₄和CO₂反應制造更高價值化學品是目前的研究目標．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H=2.8kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g） 的△H=+247.3 kJ•mol^-1．
（2）為探究用CO₂來生產(chǎn)燃料甲醇的反應原理，現(xiàn)進行如下實驗：在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和3molH₂，一定條件下發(fā)生反應：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol 測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．
①從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）
②該反應的平衡常數(shù)表達式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，升高溫度，平衡常數(shù)的數(shù)值將減小（填“增大”、“減小”或“不變”）．
③下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CD．
A．升高溫度    B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離  D．再充入1molCO₂和3molH₂
④在25℃、101kPa下，1g液態(tài)甲醇燃燒生成CO₂和液態(tài)水時放熱22.68kJ．則表示甲醇燃燒熱的熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76kJ•mol^-1
⑤我們常用的一種甲醇燃料電池，是以甲醇與氧氣的反應為原理設計的，其電解質(zhì)溶液是KOH溶液．寫出該電池負極的電極反應式CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
②CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1 ②
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得；
（2）①由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，根據(jù)濃度變化量之比等于化學計量數(shù)之比氫氣的濃度變化量，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
②化學平衡常數(shù)，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數(shù)次冪的乘積所得的比值，據(jù)此書寫；正反應是放熱反應，升高溫度，平衡常數(shù)的數(shù)值將減��；
③使n（CH₃OH）/n（CO₂）應采取措施，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；
④燃燒熱是1mol可燃物完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物時放出的熱量；在25℃、101kPa下，1g甲醇（CH₃OH）燃燒生成CO₂和液態(tài)水時放熱22.68kJ，32g甲醇燃燒生成CO₂和液態(tài)水時放熱22.68kJ×32=725.76kJ，1mol甲醇質(zhì)量為32克，所以完全燃燒1mol甲醇生成二氧化碳和液態(tài)水放熱725.76KJ，根據(jù)燃燒熱的概念分析即可解答；
⑤燃料電池中燃料在負極失電子發(fā)生氧化反應，堿溶液中生成碳酸鉀．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H=-890.3kJ•mol^-1 ①
②CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H=+2.8kJ•mol^-1 ②
③2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1 ③
根據(jù)蓋斯定律，由①+②×2-③×2得，CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=-890.3kJ•mol^-1+2.8kJ•mol^-1×2+566.0kJ•mol^-1×2=+247.3 kJ•mol^-1，
故答案為：+247.3 kJ•mol^-1；
（2）①由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氫氣的濃度變化等于甲醇的濃度變化量為0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L•mon），
故答案為：0.225；
（2）②反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數(shù)k=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$，正反應是放熱反應，升高溫度，平衡常數(shù)的數(shù)值將減��；
故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$；減��；
（3）使n（CH₃OH）/n（CO₂）應采取措施，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量，
A、該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）減小，故A錯誤，
B、充入He（g），使體系壓強增大，容器的容積不變，反應混合物的濃度不變，平衡不移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）不變，故B錯誤，
C、將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故C正確，
D、再充入1mol CO₂和4mol H₂，相當于充入1mol CO₂和3mol H₂，達平衡后再通入1molH₂．等效為增大壓強，平衡向正反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，再通入1molH₂，平衡向正反應移動，n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正確；
故答案為：CD；
④1mol甲醇完全燃燒生成二氧化碳和液態(tài)水放熱725.8KJ，燃燒熱熱化學方程式為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.76 kJ•mol^-1；
⑤甲醇-空氣燃料電池中燃料在負極失電子發(fā)生氧化反應，在堿溶液中生成碳酸鹽，C的化合價有-2價變?yōu)?4價，每摩C轉(zhuǎn)移6摩電子，依據(jù)電荷守恒和原子守恒，寫出電極反應式，電極反應式為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O，故答案為：CH₃OH+8OH^--6e^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評 本題考查熱化學方程式的書寫方法、蓋斯定律的計算、反應速率計算、化學平衡的計算與影響因素、平衡常數(shù)等，難度中等，注意基礎知識的掌握．