Question

【題目】中國(guó)政府承諾，到2020年，單位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%～45%。有效“減碳”的手段之一是節(jié)能。

I．下列制氫方法最節(jié)能的是______（填字母序號(hào)）。

A．電解水制氫：2H2O2H2↑+O2↑

B．高溫使水分解制氫：2H2O2H2↑+O2↑

C．太陽(yáng)光催化分解水制氫：2H2O2H2↑+O2↑

D．天然氣制氫：CH4+H2OCO+3H2

II．科學(xué)家提出“綠色自由”構(gòu)想，把空氣中的CO2使用合適的催化劑可轉(zhuǎn)化為可再生能源甲醇(CH3OH)。該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H

(1)若在一個(gè)定溫定容的容器中發(fā)生上述反應(yīng)，反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是______ （填字母序號(hào)）。

A．CO2和CH3OH的濃度相等 B.3v正(H2)=v逆(H2O)

C．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變 D．H2的百分含量保持不變

E. 容器中混合氣體的密度保持不變

(2)若將CO2和H2的混合氣體分成五等份，將它們分別充入溫度不同、容積相同的恒容容器中發(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)系如右圖，則上述CO2轉(zhuǎn)化為甲醇的反應(yīng)的△H______0（填“>”、“<”或“=”）。

(3) 300℃時(shí)，將CO2和H2按1：3的體積比充入某密閉容器中，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(α)與體系總壓強(qiáng)(P)的關(guān)系如右圖所示。回答問(wèn)題：

①若其他條件不變，將A點(diǎn)的體積壓縮至原來(lái)的一半，一段時(shí)間后反應(yīng)再次達(dá)到平衡，與原平衡相比較下列說(shuō)法正確的是_______（填字母序號(hào)）。

A.CO2的濃度減小 B．正反應(yīng)速率增大，逆反應(yīng)速率增大

C．甲醇的物質(zhì)的量增加 D．重新平衡時(shí)n(H2)/n(CH3OH)增大

②B點(diǎn)平衡混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為________（保留一位小數(shù)）。

(4)甲醇—空氣燃料電池(DMFC)是一種高效能、輕污染電動(dòng)汽車的車載電池，其工作原理示意圖如圖，該燃料電池的電池反應(yīng)式為2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l)，則負(fù)極的電極反應(yīng)式為____________。

Answer 1

【答案】 C CD ＜ BC 22.7 g/mol CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+

【解析】I．電解水制氫需要消耗電能；高溫使水分解制氫需要消耗熱能；天然氣制氫需要消耗熱能，并且天然氣也是一種不可再生能源；利用太陽(yáng)光催化分解水制氫最節(jié)能，不需要使用熱能或電能等，故選C。

II．（1）可逆反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是：正反應(yīng)速率與逆反應(yīng)速率相等、反應(yīng)物的濃度與生成物的濃度不再改變。A項(xiàng)，CO2和CH3OH的濃度相等時(shí)無(wú)法判斷其濃度是否不再改變，所以無(wú)法判斷是否平衡，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，用不同物質(zhì)表示的速率數(shù)值之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v正(H2)=3v正(H2O)，則3v正(H2)=v逆(H2O)時(shí)，v正(H2O)≠v逆(H2O)，故沒(méi)有達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；C項(xiàng)，該反應(yīng)是氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，定溫定容的容器中發(fā)生上述反應(yīng)，只要不平衡壓強(qiáng)就會(huì)變化，所以容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，故C正確；D項(xiàng)，H2的百分含量保持不變時(shí)，說(shuō)明平衡不再發(fā)生移動(dòng)，所以反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；E項(xiàng)，該反應(yīng)的反應(yīng)物和生成物均為氣體，氣體總質(zhì)量一定，定容的容器中，密度=氣體總質(zhì)量÷容積，所以密度始終不變，無(wú)法判斷是否平衡，故E錯(cuò)誤。

（2）由圖可知，最高點(diǎn)時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，達(dá)到平衡后，溫度越高，φ(CH3OH)越小，說(shuō)明升溫平衡逆向移動(dòng)，因?yàn)樯�高溫度平衡向吸熱方向進(jìn)行，所以逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0。

（3）①體積壓縮至原來(lái)的一半，CO2的濃度瞬間變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)勒夏特列原理，達(dá)到新平衡后CO2的濃度仍比原平衡大，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，體積縮小，壓強(qiáng)增大，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率均增大，故B正確；C項(xiàng)，體積減小，平衡正向移動(dòng)，甲醇的物質(zhì)的量增加，故C正確；D項(xiàng)，體積減小，平衡正向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減少，甲醇的物質(zhì)的量增加，所以重新平衡時(shí)n(H2)/n(CH3OH)減小，故D錯(cuò)誤。②如圖B點(diǎn)CO2的平衡轉(zhuǎn)化率為0.90，設(shè)CO2和H2初始物質(zhì)的量分別為1mol、3mol，氣體總質(zhì)量為：44g/mol×1mol+2g/mol×3mol=50g，根據(jù)反應(yīng)方程式可得，平衡時(shí)CO2為0.10mol、H2為0.30mol、生成CH3OH(g) 0.90mol、H2O(g) 0.90mol，所以B點(diǎn)平衡混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：50g÷(0.10mol+0.30mol+0.90mol+0.90mol)≈22.7g/mol（保留一位小數(shù)）。

（4）由已知結(jié)合圖示，甲醇酸性燃料電池，CH3OH在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，同時(shí)有水參與生成二氧化碳和氫離子，電極反應(yīng)式為：CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+。