Question

CO₂加氢合成甲醇的技术，对减少温室气体排放和减缓燃料危机具有重要意义，发生的主要反应如下：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)

回答下列问题：

（1）已知：H₂和CH₃OH的燃烧热分别为-285.8kJ·mol^-1，-726.51kJ·mol^-1；以及H₂O(l)=H₂O(g) △H=+44kJ·mol^-1；则该反应的△H=________________；

（2）该反应的平衡常数表达式为________________；

（3）在350℃时，体积为0.5L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂发生上述反应，测定出CH₃OH的体积分数随时间变化的曲线如图所示：

①能判断该反应达到化学平衡状态的依据是__________________；

A．容器内压强不变        B．H₂的体积分数不变      C．c(CH₃OH)=c(H₂O)  D．容器内密度不变

②氢气在0~10min的平衡反应速率v(H₂)=_________________________；

③在右图中标出400℃时CH₃OH的体积分数随时间变化的曲线。

（4）科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的重要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军事目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向另一个电极通入空气。试回答下列问题：

①这种电池放电时，b处通入______________，发生的电极反应方程式是_____________________。

②若电解液中的3molH⁺通过质子交换膜，则消耗甲醇__________L(标准状况)。

Answer

（1）CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l)△H=-86.89 kJ•mol-1

（2） K=

（3）①AB ② 0.45mol/(L·min) ③

（4）① 空气 O2+4e-+4H+=2H2O ②11.2

【解析】

试题分析：（1）由H2(g)的燃烧热△H为-285.8kJ•mol-1知，1molH2(g)完全燃烧生成1molH2O(l)放出热量285.8kJ，即①H2(g)+O2(g)=H2O(l)△H=-285.8kJ•mol-1；②CH3OH(l)+ O2(g)=CO2(g)+2 H2O(l)△H=-726.51kJ•mol-1，③H2O(l)=H2O(g) △H=+44kJ·mol-1；由盖斯定律可知，3×①-②+③得CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(g)△H=-86.89 kJ•mol-1；

（2）该反应的平衡常数表达式K=；

（3）①A．反应体系两边系数不等，反应进行的过程中气体的物质的量总和不断变化，则容器内压强不变，说明气体总物质的量不变，是平衡状态，故A正确；B．反应体积中H2的体积分数不变，反应达到平衡状态，故B正确；C．随着反应的进行c(CH3OH)=c(H2O)始终成立，故不一定是平衡状态，故C错误；D．密度等于质量除去体积，质量和体积始终是定值，则容器内密度不变不一定是平衡状态，故D错误；答案为AB。

② CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

起始物质的量（mol） 1 3 0 0

变化物质的量（mol） x 3x x x

平衡物质的量（mol） 1-x 3-3x x x

平衡时CH3OH的体积分数为×100%=30%，解得x=0.75，氢气在0~10min的平衡反应速率v(H2)= =0.45mol/(L·min)；

③CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l) △H=-86.89 kJ•mol-1 是放热反应，升高温度平衡逆向移动，达到新平衡时CH3OH的体积分数减小，但达到平衡需要的时间缩短了，具体如图；

（4）①原电池工作时电子由负极经外电路流向正极，H+向正极移动，负极发生氧化反应，正极发生还原反应，由b处通入的为空气，发生的电极反应方程式为O2+4e-+4H+=2H2O；

②若电解液中的3molH+通过质子交换膜，则转移电子的物质的量为3mol，被氧化的甲醇的物质的量=0.5mol，标准状况下体积为22.4L/mol×0.5mol=11.2L。

考点：考查化学平衡的建立、反应速率及化学平衡常数的计算、燃料电池工作原理及应用。