Question

能源短缺是人類社會(huì)面臨的最大問(wèn)題．甲醇是一種可再生能源，具有廣泛的開發(fā)和應(yīng)用前景．請(qǐng)回答下面有關(guān)甲醇參與反應(yīng)的有關(guān)問(wèn)題
（1）火力發(fā)電廠釋放出的氮氧化物（NOx）、二氧化硫和二氧化碳等氣體進(jìn)行脫硝、脫硫和脫碳等處理．可實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、節(jié)能減排、廢物利用等目的．其中，脫碳時(shí)將CO₂轉(zhuǎn)化為甲醉的熱化學(xué)方程式為：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H
①取五份等體積CO₂和H₂的混合氣體（物質(zhì)的傲之比均為1：3），分別加入溫度不同、容積相同的恒容密閉容器中，發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)相同時(shí)間后，測(cè)得甲醇的體積分?jǐn)?shù)φ（CH₃OH）與反應(yīng)溫度T的關(guān)系曲線如下圖甲所示，則上述CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇的反應(yīng)中△H

 

0（填“＞“、“＜“或“=“）
②在一恒溫恒容（容積為2L）密閉容器中充入2mol CO₂和6mol H₂，進(jìn)行上述反應(yīng)．測(cè)得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如下圖乙所示．試計(jì)算：0-10min內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=

 

；該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

（2）已知在常溫常壓下：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2C₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
寫出表示甲醉燃燒熱的熱化學(xué)方程式：

 

（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)如下圖丙所示的電池裝置．
①該電池的正極反應(yīng)式為

 

；負(fù)極反應(yīng)式為

 

②工作一段時(shí)間后，當(dāng)消耗3.2g甲醇時(shí)，同時(shí)消耗掉的KOH是

 

g．

Answer 1

分析：（1）①、由圖可知最高點(diǎn)反應(yīng)到達(dá)平衡，到達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，據(jù)此判斷；
②由圖可知，0～10min內(nèi)二氧化碳的濃度變化為1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，根據(jù)c=

△c

△t

計(jì)算v（CO₂），再利用各物質(zhì)的反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算平衡常數(shù)；
（2）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律和燃燒熱概念計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
（3）①甲醇燃料電池的反應(yīng)原理是原電池反應(yīng)，燃料在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上是氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)；
②依據(jù)原電池反應(yīng)化學(xué)方程式計(jì)算消耗氫氧化鉀的質(zhì)量；

解答：解：（1）①、由圖可知最高點(diǎn)反應(yīng)到達(dá)平衡，達(dá)平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，說(shuō)明升高溫度平衡向逆反應(yīng)進(jìn)行，升高溫度平衡吸熱方向進(jìn)行，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H₃＜0，故答案為：＜；
②由圖可知，10min時(shí)，反應(yīng)已經(jīng)達(dá)平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內(nèi)，v（CO₂）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L?min），反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，故v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min）；
開始CO₂的濃度為1mol/L，故容器的體積為

1mol

1mol/L

=1L，H₂的起始濃度為

3mol

1L

=3mol/L，則：
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：1         3         0          0
變化（mol/L）：0.75     2.25      0.75        0.75
平衡（mol/L）：0.25     0.75      0.75        0.75
故該溫度下平衡常數(shù)k=

0.75×0.75

0.25×0.752

=5.33；
故答案為：0.225mol/（L?min）；5.33；
（2）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ/mol
②H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ/mol
依據(jù)蓋斯定律①+②×4得到：2CH₃OH（l）+3O₂（g）→2CO₂（g）+4H₂O（l）△H=-1451.6kJ/mol
甲醇的燃燒熱的熱化學(xué)方程式為：CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol
故答案為：CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-725.8kJ/mol；
（3）①原電池正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極放電，堿性條件下生成氫氧根離子，電極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，原電池負(fù)極反應(yīng)是燃料失電子在氫氧化鉀堿性溶液中生成碳酸鹽，電極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
②該原電池實(shí)質(zhì)為甲醇燃燒生成二氧化碳與水，二氧化碳在與氫氧化鉀反應(yīng)生成碳酸鉀與水，該原電池總的反應(yīng)式為：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，工作一段時(shí)間后，當(dāng)消耗3.2g甲醇物質(zhì)的量=

3.2g

32g/mol

=0.1mol，同時(shí)消耗掉的KOH是0.2mol，質(zhì)量=0.2mol×56g/mol=11.2g；

故答案為：11.2；

點(diǎn)評(píng)：本題考查熱化學(xué)反應(yīng)方程式的書寫、原電池、氧化還原反應(yīng)的有關(guān)計(jì)算等，主要是原電池電極反應(yīng)的分析應(yīng)用，蓋斯定律的計(jì)算應(yīng)用，題目難度中等．