Question

1．CO₂ 加氫合成甲醇可有效利用CO₂．由CO₂制備甲醇過程涉及反應(yīng)如下：
反應(yīng)Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反應(yīng)Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）△H₂=+41.19 kJ•mol^-1kJ/mol；升高溫度會使反應(yīng)Ⅱ向正（填“正”、“逆”）方向移動．
（2）一定條件下在3L恒容密閉容器中充入一定量的H₂和CO₂僅發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，實驗測得反應(yīng)物在不同起始投入量下，反應(yīng)體系中CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線如圖1所示：
①H₂和CO₂的起始的投入量以A和B兩種方式投入：
A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol
B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，曲線Ⅱ代表B（填“A”或“B”）投入方式．
②在溫度為500K的條件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應(yīng)10min時達到平衡：
a．此溫度下的平衡常數(shù)為450；500K時，若在此容器中開始充入0.3molH₂和0.9mol
CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，若使反應(yīng)在開始時能正向進行，則x應(yīng)滿足的條件是0＜x＜2.025．
b．在此條件下，系統(tǒng)中CH₃OH的濃度隨時間的變化如圖2所示，當(dāng)反應(yīng)時間達到3min時，迅速升溫至600K，請在圖2中畫出3～10min內(nèi)容器中CH₃OH濃度變化曲線．
（3）新型固體燃料電池的電解質(zhì)是固體氧化鋯和氧化釔，高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過．如圖3所示，其中多孔電極不參與電極反應(yīng)．
①該電池的負極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O．
②如果用該電池作為電解裝置，當(dāng)有16g甲醇發(fā)生反應(yīng)時，則理論上提供的電量表達式為2.895×10⁵C（1個電子的電量為1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學(xué)方程式；正反應(yīng)如果是吸熱反應(yīng)升高溫度平衡正向移動；
（2）①圖象分析相同溫度下，兩種反應(yīng)物，增大一種物質(zhì)的量會提高另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率；
②a．結(jié)合三行式進行計算，化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)K各個生成物平衡濃度系數(shù)次方的乘積和各個反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次方乘積的比值，據(jù)此計算；
b．將體系溫度升至600K，根據(jù)升高溫度，平衡向著吸熱方向來進行回答；
（3）①以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負極是甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合導(dǎo)電離子和電荷守恒分析書寫；
②依據(jù)電極反應(yīng)計算轉(zhuǎn)移電子數(shù)，結(jié)合法拉第常數(shù)為9.65×10⁴C•mol^-1計算電量．

解答 解：（1）反應(yīng)Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.58kJ•mol^-1
反應(yīng)Ⅱ：CO₂（g）+H₂（g）?CO （g）+H₂O（g）△H₂
反應(yīng)Ⅲ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₃=-90.77kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反應(yīng)Ⅱ的焓變△H₂=（-49.58kJ•mol^-1）-（-90.77kJ•mol^-1）=+41.19 kJ•mol^-1；根正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)升高溫度平衡正向移動，
故答案為：+41.19 kJ•mol^-1；正向；
（2）①A：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=1.5mol，B：n（H₂）=3mol，n（CO₂）=2mol，二者比較B相當(dāng)于增大二氧化碳的量，轉(zhuǎn)化率小于A，所以曲線Ⅱ代表B的投料，
故答案為：B；
②在溫度為500K的條件下，充入3mol H₂和1.5mol CO₂，該反應(yīng)10min時達到平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率是60%，
          CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
初始濃度：0.5      1         0         0
變化濃度：0.3     0.9      0.3       0.3
平衡濃度：0.2     0.1      0.3       0.3
a．該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=$\frac{0.3×0.3}{0.2×0．{1}^{3}}$=450，
500K時，若在此容器中開始充入0.3molH₂和0.9mol CO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，濃度分別為0.1mol/L，0.3mol/L，0.2mol/L，$\frac{x}{3}$mol/L
若使反應(yīng)在開始時正向進行，濃度商Qc=$\frac{0.2×\frac{x}{3}}{0.3×0．{1}^{3}}$＜K=450
x=2.025
則x應(yīng)滿足的條件是0＜x＜2.025
故答案為：450，0＜x＜2.025；
b．當(dāng)反應(yīng)時間達到3min時，迅速將體系溫度升至600K，則平衡正向進行，甲醇的濃度會增加，圖象為，
故答案為：；
（3）①以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子（O^2-）在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負極是甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合導(dǎo)電離子和電荷守恒分析書寫電極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+3O^2-=CO₂↑+2H₂O；
②16g甲醇物質(zhì)的量=$\frac{16g}{32g/mol}$=0.5mol，發(fā)生反應(yīng)時電子轉(zhuǎn)移0.5mol×6=3mol，則理論上提供的電量最多為3mol×9.65×10⁴C•mol^-1=2.895×10⁵ C，
故答案為：2.895×10⁵ C．

點評 本題綜合考查學(xué)生蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)反應(yīng)速率的計算、化學(xué)平衡移動的影響因素等知識，屬于綜合知識的考查，難度較大．