Question

甲醇作为基本的有机化工产品和环保动力燃料具有广阔的应用前景，二氧化碳加氢合成甲醇是合理利用二氧化碳的有效途径。由二氧化碳制备甲醇过程中可能涉及反应如下：

反应Ⅰ：CO₂(g)+3H₂(g)    CH₃OH(g)+H₂O(g)     △H₁=-49.58KJ/mol

反应Ⅱ：CO₂(g)+H₂(g)   CO(g)+H₂O(g)         △H₂

反应Ⅲ：CO(g)+2H₂(g)    CH₃OH(g)           △H₃=-90.77KJ/mol

回答下列问题：

（1）反应Ⅱ的△H₂=   ，反应Ⅰ自发进行条件是    （填“较低温”、“较高温”或“任意温度”）。

（2）在一定条件下3L恒容密闭容器中，充入一定量的氢气和二氧化碳仅反应反应Ⅰ，实验测得反应物在不同起始投入量下，

体系中二氧化碳的平衡转化率与温度的关系曲线，如图1所示。

① 氢气和二氧化碳的起始的投入量以A和B两种方式投入

A：n(H₂)=3mol   n(CO₂)=1.5mol

B：n(H₂)=3mol   n(CO₂)=2mol，曲线Ⅰ代表哪种投入方式        （用A、B表示）

②在温度为500K的条件下，按照A方式充入3摩尔氢气和1.5摩尔二氧化碳，该反应10分钟时达到平衡：A．此温度下的平衡常数为        ；500K时，若在此容器中开始充入0.3摩尔氢气和0.9摩尔二氧化碳、0.6摩尔甲醇、x摩尔水蒸气，若使反应在开始时正向进行，则x应满足的条件是      。

b．在此条件下，系统中甲醇的浓度随反应时间的变化趋势如图2所示，当反应时间达到3分钟时，迅速将体系温度升至600K，请在图2中画出3～10分钟内容器中甲醇的浓度变化趋势曲线。

（3）固体氧化物燃料电池是一种新型的燃料电池，它是以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许氧离子（O^2-）在其间通过，该电池的工作原理如图3所示，其中多孔电极均不参与电极反应。图3是甲醇燃料电池的模型。

①写出该燃料电池的负极反应式      。

②如果用该电池作为电解装置，当有16g甲醇发生反应时，则理论上提供的电量最多为    摩尔。

Answer

（共16分，每空2分）（1）+41.19 kJ•mol﹣1；较低温；（2）①A．②a．450，0＜x＜2.025；

b．

（3）①CH3OH﹣6e﹣+3O2﹣=CO2↑+2H2O； ② 3mol．

【解析】

试题分析：（1）根据盖斯定律，反应Ⅱ可以是由Ⅰ-Ⅲ得到，所以反应Ⅱ的焓变=-49.58+90.77=+41.19 kJ•mol﹣1；根据反应自发进行的判据，△H-T△S<0，反应Ⅲ是熵减的放热反应，所以要自发进行需要在较低温进行；（2）①二者比较B相当于增大二氧化碳的量，转化率小于A，所以曲线Ⅰ代表A的投料．②在温度为500K的条件下，充入3摩尔氢气和1.5摩尔二氧化碳，该反应10分钟时达到平衡，二氧化碳的转化率为60%，则

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

起始浓度 0.5 1 0 0

变化浓度 0.3 0.9 0.3 0.3

平衡浓度 0.2 0.1 0.3 0.3

该温度下，反应Ⅰ的平衡常数K=0.3×0.3/(0.2×0.13)=450，500K时，若在此容器中开始充入0.3摩尔氢气和0.9摩尔二氧化碳，0.6摩尔甲醇和x摩尔水，浓度分别为0.1,0.3,0.2，x/3，若使反应在开始时正向进行，浓度商=，x=2.025，则x应满足的条件是0＜x＜2.025；B．当反应时间达到3分钟时，迅速将体系温度升至600K，则平衡正向进行，甲醇的浓度会增加，图像为

（3）①以固体氧化锆氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许阳离子在其间通过，分析该电池的工作原理如图，负极是甲烷失去电子发生氧化反应，结合导电离子为阳离子和电荷守恒分析，电极反应为CH3OH﹣6e﹣+3O2﹣=CO2↑+2H2O； ② 16克甲醇的物质的量为16/32=0.5摩尔，发生反应时电子转移为0.5×6=3mol．

考点：化学平衡的计算，用盖斯定律进行有关反应热的计算，原电池和电解池的工作原理，转化率随温度和压强的变化曲线

【名师点睛】原电池与电解池的比较

原电池

电解池

（1）定义

化学能转变成电能的装置

电能转变成化学能的装置

（2）形成条件

合适的电极、合适的电解质溶液、形成回路

电极、电解质溶液（或熔融的电解质）、外接电源、形成回路

（3）电极名称

负极

正极

阳极

阴极

（4）反应类型

氧化

还原

氧化

还原

（5）外电路电子流向

负极流出、正极流入

阳极流出、阴极流入