Question

【題目】科學(xué)家利用太陽能分解水生成的氫氣在催化劑作用下與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，并開發(fā)出直接以甲醇為燃料的燃料電池。已知在常溫常壓下：

①2CH3OH(l) + 3O2 (g) = 2CO2(g) + 4H2O(g) H1= – 1276.0 kJ/mol

②2H2(g) + O2(g) = 2H2O(g) H2 = – 482.0 kJ/mol；

③H2O(g) = H2O(l) H3= – 44.0 kJ/mol

(1)寫出由CO2和H2合成甲醇和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式______________________。

(2)在容積為2 L的密閉容器中，通入2mol CO2和5mol H2合成甲醇，在其他條件不變的情況下，考察溫度對反應(yīng)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示；

①T1 ______T2(填“<，>或=”)，處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T1變到T2，達(dá)到平衡時_______(填“增大，減小或不變”)。

②若在T2溫度下5 min達(dá)到化學(xué)平衡，求平衡時用H2表示的平均反應(yīng)速率為______。

(3)某實(shí)驗(yàn)小組依據(jù)甲醇燃燒的反應(yīng)原理，設(shè)計(jì)下圖所示的電池裝置：

①寫出電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：_____________________________________，該電池工作一段時間，測得溶液的pH________(填“增大，減小或不變”)。

②寫出該電池總反應(yīng)的離子方程式為________________________________________。

Answer 1

【答案】CO2 (g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l)　ΔH＝– 129 kJ·mol－1 < 增大 0.3 mol·L－1·min－1 CH3OH －6e + 8OH－＝CO32－＋6H2O 減小 2CH3OH＋3O2 + 4 OH－＝2CO32－＋6 H2O

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律進(jìn)行計(jì)算；

（2）①由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡逆向移動，甲醇的含量降低，因此溫度T2>T1，處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T1變到T2，因?yàn)闇囟葟?/span>T1升高到T2時，平衡逆向移動，故氫氣的物質(zhì)的量增大，甲醇的物質(zhì)的量減小，故n（H2）/n（CH3OH）增大；

②根據(jù)速率的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算；

（3）在甲醇燃料電池中，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為堿性，總反應(yīng)方程式為：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O。

（1）已知在常溫常壓下：①2CH3OH(l) +3O2 g)=2CO2(g)+4H2O(g) H1=–1276.0kJ/mol；②2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H2 =–482.0kJ/mol；③H2O(g)=H2O(l) H3=–44.0kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律由CO2和H2合成甲醇和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH=3/2H2+H3-1/2H1=（–482.0）×3/2+（–44.0）-（–1276.0）×1/2=-129kJ·mol－1，故答案為：CO2(g)＋3H2(g)＝CH3OH(l)＋H2O(l) ΔH＝–129kJ·mol－1。

（2）①由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，所以升高溫度，平衡逆向移動，甲醇的含量降低，因此溫度T2>T1，處于A點(diǎn)的反應(yīng)體系從T1變到T2，因?yàn)闇囟葟?/span>T1升高到T2時，平衡逆向移動，故氫氣的物質(zhì)的量增大，甲醇的物質(zhì)的量減小，故n（H2）/n（CH3OH）增大，故答案為：<，增大。

②依據(jù)圖像分析，若在T2溫度下達(dá)到化學(xué)平衡時，甲醇的物質(zhì)的量為1mol，依據(jù)化學(xué)方程式為：CO2＋3H2＝CH3OH＋H2O，甲醇物質(zhì)的量的變化量為1mol，則消耗氫氣的物質(zhì)的量為3mol，平衡時用H2表示的平均反應(yīng)速率為3mol÷2L÷5min=0.3mol·L－1·min－1，故答案為：0.3mol·L－1·min－1。

（3）在甲醇燃料電池中，燃料在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為堿性，負(fù)極的方程式為：CH3OH－6e+8OH－＝CO32－＋6H2O，電池工作一段時間后，氫氧根離子被消耗，所以溶液的pH減小，故答案為：CH3OH－6e+8OH－＝CO32－＋6H2O，減小。

由燃料電池是原電池的一種，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電解質(zhì)溶液為堿性，總反應(yīng)方程式為：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O，故答案為：2CH3OH＋3O2+4OH－＝2CO32－＋6H2O。