Question

能源短缺是人類社會面臨的最大問題．甲醇是一種可再生能源，具有廣泛的開發和應用前景．請回答下面有關甲醇參與反應的有關問題
（1）火力發電廠釋放出的氮氧化物（NOx）、二氧化硫和二氧化碳等氣體進行脫硝、脫硫和脫碳等處理．可實現綠色環保、節能減排、廢物利用等目的．其中，脫碳時將CO₂轉化為甲醉的熱化學方程式為：
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，發生上述反應，反應相同時間后，測得甲醇的體積分數φ（CH₃OH）與反應溫度T的關系曲線如下圖甲所示，則上述CO₂轉化為甲醇的反應中△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，進行上述反應．測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如下圖乙所示．試計算：0-10min內，氫氣的平均反應速率v（H₂）=

 

；該溫度下，反應的平衡常數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方程式：

 

（3）某實驗小組依據甲醇燃燒的反應原理，設計如下圖丙所示的電池裝置．
①該電池的正極反應式為

 

；負極反應式為

 

②工作一段時間后，當消耗3.2g甲醇時，同時消耗掉的KOH是

 

g．

Answer 1

分析：（1）①、由圖可知最高點反應到達平衡，到達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，升高平衡向逆反應進行，據此判斷；
②由圖可知，0～10min內二氧化碳的濃度變化為1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，根據c=

△c

△t

計算v（CO₂），再利用各物質的反應速率之比等于計量數之比計算v（H₂）；利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數表達式計算平衡常數；
（2）依據熱化學方程式和蓋斯定律和燃燒熱概念計算得到所需熱化學方程式；
（3）①甲醇燃料電池的反應原理是原電池反應，燃料在負極失電子發生氧化反應，正極上是氧氣得到電子發生還原反應；
②依據原電池反應化學方程式計算消耗氫氧化鉀的質量；

解答：解：（1）①、由圖可知最高點反應到達平衡，達平衡后，溫度越高，φ（CH₃OH）越小，說明升高溫度平衡向逆反應進行，升高溫度平衡吸熱方向進行，逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H₃＜0，故答案為：＜；
②由圖可知，10min時，反應已經達平衡，△c（CO₂）=1.00mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以10min內，v（CO₂）=

0.75mol/L

10min

=0.075mol/（L?min），反應速率之比等于計量數之比，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原電池正極發生還原反應，氧氣在正極放電，堿性條件下生成氫氧根離子，電極反應式為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，原電池負極反應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該原電池實質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生成碳酸鉀與水，該原電池總的反應式為：2CH₃OH+3O₂+4KOH=2K₂CO₃+6H₂O，工作一段時間后，當消耗3.2g甲醇物質的量=

3.2g

32g/mol

=0.1mol，同時消耗掉的KOH是0.2mol，質量=0.2mol×56g/mol=11.2g；

故答案為：11.2；

點評：本題考查熱化學反應方程式的書寫、原電池、氧化還原反應的有關計算等，主要是原電池電極反應的分析應用，蓋斯定律的計算應用，題目難度中等．