Question

CO₂ 加氢合成甲醇可有效利用CO₂。由CO₂制备甲醇过程涉及反应如下：

反应Ⅰ：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g) +H₂O(g)  △H ₁=－49.58kJ•mol^-1

反应Ⅱ：CO₂(g)+ H₂(g)CO (g)+H₂O(g)  △H ₂

反应Ⅲ：CO(g)+2 H₂(g)CH₃OH(g)  △H ₃=－90.77 kJ•mol^-1

回答下列问题：

（1）△H ₂=              kJ/mol；升高温度会使反应Ⅱ向             （填“正”、“逆”）方向移动。

（2）一定条件下在3L恒容密闭容器中充入一定量的H₂和CO₂仅发生反应Ⅰ，实验测得反应物在不同起始投入量下，反应体系中CO₂的平衡转化率与温度的关系曲线如图1所示：

①H₂和CO₂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Ⅱ代表            （填“A”或“B”）投入方式。

② 在温度为500K的条件下，按照A方式充入3mol H₂和1.5mol CO₂，该反应10min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0.3molH₂和0.9molCO₂、0.6molCH₃OH、xmolH₂O，若使反应在开始时能正向进行，则x应满足的条件是           。

b．在此条件下，系统中CH₃OH的浓度随时间的变化如图2所示，当反应时间达到3min时，迅速升温至600K，请在图2中画出3～10min内容器中CH₃OH浓度变化曲线。

（3）新型固体燃料电池的电解质是固体氧化锆和氧化钇，高温下允许氧离子（O ^2-）在其间通过。如图所示，其中多孔电极不参与电极反应。

①该电池的负极反应式为                     。

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表达式为        C（1个电子的电量为1.6×10^－19C）。

Answer

（1）（3分）+41.19（2分） 正（1分）

（2）（7分）① B（1分）

②a：450L2·mol-2（2分） 0＜x＜2.025（2分）

b：如图2（起点不变，终点在0.21左右，10分钟前达平衡即可）

（2分）

（3）（4分）① CH3OH-6e-+3O2-＝CO2↑+2H2O （2分）

②0.5mol×6×1.6×10－19Cmol-1×6.02×1023或2.895×105 C（2分。其它正确表达式也给分）

【解析】

试题分析：（1）反应Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g) +H2O(g) △H1＝－49.58kJ•mol-1，反应Ⅱ：CO2(g)+ H2(g)CO (g)+H2O(g) △H2，反应Ⅲ：CO(g)+2 H2(g)CH3OH(g) △H3＝－90.77 kJ•mol-1，根据盖斯定律，反应Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反应Ⅱ的焓变△H2=（-49.58kJ•mol-1）-（-90.77kJ•mol-1）=+41.19 kJ•mol-1；正反应是吸热反应升高温度平衡正向移动；

（2）①A：n(H2)＝3mol，n(CO2)＝1.5mol、B：n(H2)＝3mol，n(CO2)＝2mol，，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Ⅱ代表B的投料；

②在温度为500K的条件下，充入3mol H2和1.5mol CO2，该反应10min时达到平衡，二氧化碳的转化率是60%，则

CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）

初始浓度（mol/L）0.5 1 0 0

变化浓度（mol/L）0.3 0.9 0.3 0.3

平衡浓度（mol/L）0.2 0.1 0.3 0.3

a．该温度下，反应I的平衡常数K= =450

500K时，若在此容器中开始充入0.3molH2和0.9mol CO2、0.6molCH3OH、xmolH2O，浓度分别为0.1mol/L，0.3mol/L，0.2mol/L，x/3mol/L，若使反应在开始时正向进行，浓度商Qc=＜K=450

，解得x=2.025，则x应满足的条件是0＜x＜2.025；

b．当反应时间达到3min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，图象为（见答案）；

（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氧离子（O2-）在其间通过，分析该电池的工作原理如图3所示可知负极是甲烷失电子发生氧化反应，结合导电离子和电荷守恒分析书写电极反应为CH3OH-6e-+3O2-＝CO2↑+2H2O；

②16g甲醇物质的量=16g÷32g/mol=0.5mol，发生反应时电子转移0.5mol×6=3mol，则理论上提供的电量最多为3mol×9.65×104C•mol-1=2.895×105 C。

考点：考查盖斯定律的应用、化学反应速率的计算、化学平衡移动的影响因素等