Question

10．固定和利用CO₂，能有效地利用資源，并減少空氣中的溫室氣體．
Ⅰ．工業(yè)上正在研究利用CO₂來(lái)生產(chǎn)甲醇燃料的方法，該方法的化學(xué)方程式是：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol
某科學(xué)實(shí)驗(yàn)小組將6mol CO₂和8mol H₂充入一容積為2L的密閉容器中（溫度保持不變），測(cè)得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖中實(shí)線所示（圖中字母后的數(shù)字表示對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)）．回答下列問(wèn)題：
（1）該反應(yīng)在0～8min內(nèi)CO₂的平均反應(yīng)速率是0.125mol•L^-1•min^-1
（2）此溫度下反應(yīng)CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)K的數(shù)值為0.5．
（3）僅改變某一條件再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得H₂的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化如圖中虛線所示．與實(shí)線相比，曲線Ⅰ改變的條件可能是升高溫度，曲線Ⅱ改變的條件可能是增大壓強(qiáng)．
Ⅱ．甲醇和氧氣以及強(qiáng)堿做電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池，電量是現(xiàn)用鎳氫電池和鋰電池的10倍，可連續(xù)使用1個(gè)月才充電一次．假定放電過(guò)程中，甲醇完全氧化產(chǎn)生的CO₂被充分吸收生成CO₃^2-．
（1）該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；電池在放電過(guò)程中溶液的pH將下降（填下降、上升、不變）；
（2）又有科學(xué)家制造出一種使用固體電解質(zhì)的燃料電池，其效率更高．一個(gè)電極通入空氣，另一個(gè)電極通入汽油蒸汽．其中固體電解質(zhì)在高溫下能傳導(dǎo)O^2-離子．以丁烷（C₄H₁₀）代表汽油．
①電池的正極反應(yīng)式為O₂+4e-=2O^2-；
②放電時(shí)固體電解質(zhì)里的O^2-離子的移動(dòng)方向是向負(fù)極移動(dòng)（填正或負(fù)）．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）先計(jì)算氫氣反應(yīng)速率，再根據(jù)同一可逆反應(yīng)同一段時(shí)間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計(jì)量數(shù)之比計(jì)算二氧化碳平均反應(yīng)速率；
（2）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開(kāi)始（mol/L）3         4         0       0
反應(yīng)（mol/L）1         3         1       1
平衡（mol/L）2         1         1       1
化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（{H}_{2}O）．c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（3）改變條件時(shí)，虛線I中，反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)間縮短，氫氣的含量升高，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，且反應(yīng)速率增大，應(yīng)該是改變的溫度；
虛線II中，氫氣含量減小、縮短反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)間，說(shuō)明平衡正向移動(dòng)且反應(yīng)速率增大，改變的條件是增大壓強(qiáng)；
Ⅱ．（1）甲醇燃料堿性電池中，負(fù)極上甲醇失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，正極上氧氣得電子和水反應(yīng)生成氫氧根離子，電池反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，據(jù)此判斷溶液pH變化；
（2）①正極上氧氣得電子生成氧離子；
②放電時(shí)電解質(zhì)中陰離子向負(fù)極移動(dòng)．

解答 解：Ⅰ．（1）氫氣反應(yīng)速率=$\frac{\frac{8-2}{2}}{8}$mol•L^-1•min^-1=$\frac{3}{8}$mol•L^-1•min^-1，同一可逆反應(yīng)同一段時(shí)間內(nèi)各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于其計(jì)量數(shù)之比得二氧化碳平均反應(yīng)速率=$\frac{1}{3}$×$\frac{3}{8}$mol•L^-1•min^-1=0.125mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.125；
（2）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開(kāi)始（mol/L）3         4         0       0
反應(yīng)（mol/L）1         3         1       1
平衡（mol/L）2         1         1       1
化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（{H}_{2}O）．c（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）．{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1×1}{{1}^{3}×2}$=0.5；
（3）改變條件時(shí)，虛線I中，反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)間縮短，氫氣的含量升高，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，且反應(yīng)速率增大，應(yīng)該是升高溫度；
虛線II中，氫氣含量減小、縮短反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)間，說(shuō)明平衡正向移動(dòng)且反應(yīng)速率增大，改變的條件是增大壓強(qiáng)，
故答案為：升高溫度；增大壓強(qiáng)；
Ⅱ．（1）甲醇燃料堿性電池中，負(fù)極上甲醇失電子和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，正極上氧氣得電子和水反應(yīng)生成氫氧根離子，電池反應(yīng)式為2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，氫氧根離子參加反應(yīng)導(dǎo)致溶液pH下降，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；下降；
（2）①正極上氧氣得電子生成氧離子，電極反應(yīng)式為O₂+4e-=2O^2-，故答案為：O₂+4e-=2O^2-；
②放電時(shí)電解質(zhì)中陰離子向負(fù)極移動(dòng)，則氧離子向負(fù)極移動(dòng)，故答案為：負(fù)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、原電池原理，為高頻考點(diǎn)，明確化學(xué)平衡計(jì)算中采用三段式法、原電池中正負(fù)極的判斷及正負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書(shū)寫(xiě)，題目難度不大．