Question

【題目】甲醇作為基本的有機(jī)化工產(chǎn)品和環(huán)保動(dòng)力燃料具有廣闊的應(yīng)用前景，CO2加氫合成甲醇是合理利用CO2的有效途徑，由CO2制備甲醇過程可能涉及反應(yīng)如下：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-49.58kJ/mol

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=-90.77kJ/mol

回答下列問題：

(1)反應(yīng)Ⅱ的△H2=______ ，反應(yīng) I自發(fā)進(jìn)行條件是 ______(填“較低溫”、“較高溫”或“任何溫度”)。

(2)在一定條件下3 L恒容密閉容器中，充入一定量的H2和CO2僅發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)物在不同起始投入量下，反應(yīng)體系中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系曲線，如圖1所示。

①H2和CO2的起始的投入量以A和B兩種方式投入

A：n(H2)=3 mol，n(CO2)=1.5 mol B：n(H2)=3 mol，n(CO2)=2 mol，

曲線 I代表哪種投入方式______(用A、B表示)。

②在溫度為500K的條件下，按照A方式充入3 molH2和1.5 molCO2，該反應(yīng)10 min時(shí)達(dá)到平衡：

a.此溫度下的平衡常數(shù)為______；500K時(shí)，若在此容器中開始充入0.3 mol H2和0.9 molCO2、0.6 mol CH3OH、x mol H2O，若使反應(yīng)在開始時(shí)正向進(jìn)行，則x應(yīng)滿足的條件是 ______。

b.在此條件下，系統(tǒng)中CH3OH的濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3 min時(shí)，迅速將體系溫度升至600 K，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫出3～10 min內(nèi)容器中CH3OH濃度的變化趨勢(shì)曲線__________。

(3)化物燃料電池是一種新型的燃料電池，它是以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過，該電池的工作原理如圖3所示，其中多孔電極均不參與電極反應(yīng)，圖3是甲醇燃料電池的模型。

①寫出該燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式 ______。

②如果用該電池作為電解裝置，當(dāng)有16 g甲醇發(fā)生反應(yīng)時(shí)，則理論上提供的電量最多為 ______(法拉第常數(shù)為9.65×104C/mol)

Answer 1

【答案】+41.19 kJ/mol 較低溫 A 450 0<x<2.025 CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O 2.895×105 C

【解析】

(1)依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△G=△H-T△S<0；

(2)①圖象分析相同溫度下，兩種反應(yīng)物，增大一種物質(zhì)的量會(huì)提高另一種物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率；

②a．根據(jù)物質(zhì)反應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算；

b．將體系溫度升至600K，根據(jù)升高溫度，平衡向著吸熱方向來進(jìn)行回答；

(3)①以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)，這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負(fù)極是甲醇失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合導(dǎo)電離子和電荷守恒分析書寫；

②依據(jù)電極反應(yīng)計(jì)算轉(zhuǎn)移電子數(shù)，結(jié)合法拉第常數(shù)為9.65×104C/mol計(jì)算電量。

(1)反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-49.58kJ/mol

反應(yīng)Ⅱ：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2

反應(yīng)Ⅲ：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H3=-90.77kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)Ⅱ可以是Ⅰ-Ⅲ得到，所以反應(yīng)Ⅱ的焓變△H2=(-49.58 kJ/mol)-(-90.77kJ/mol)=+41.19 kJ/mol；根據(jù)反應(yīng)自發(fā)行的判據(jù)：△G=△H-T△S<0，反應(yīng)Ⅲ是熵減的放熱的反應(yīng)，所以要自發(fā)進(jìn)行需要在較低溫下進(jìn)行；

(2)①A：n(H2)=3 mol，n(CO2)=1.5 mol，B：n(H2)=3 mol，n(CO2)=2 mol，二者比較，B相當(dāng)于增大二氧化碳的量，平衡正向移動(dòng)，但CO2的轉(zhuǎn)化率反而降低，轉(zhuǎn)化率小于A，所以曲線該I代表A的投料；

②在溫度為500K的條件下，在3 L恒容密閉容器中充入3 mol H2和1.5 mol CO2，該反應(yīng)10 min時(shí)達(dá)到平衡，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率是60%，則轉(zhuǎn)化的CO2物質(zhì)的量濃度為△c(CO2)= ×60%=0.3 mol/L，根據(jù)反應(yīng)方程式CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)中物質(zhì)反應(yīng)關(guān)系可知，△c(H2)= 3△c(CO2)=0.9 mol/L，△c(CH3OH)=△c(H2O)=△n(CO2)=0.3mol/L，所以各種物質(zhì)的平衡濃度：c(CO2)=(0.5-0.3) mol/L=0.2 mol/L，c(H2)=(1-0.9)mol/L=0.1mol/L；c(CH3OH)=c(H2O)=0.3 mol/L，所以

a.該溫度下，反應(yīng)I的平衡常數(shù)K==450，500K時(shí)，若在此容器中開始充入0.3molH2和0.9 mol CO2、0.6 mol CH3OH、x mol H2O，濃度分別為0.1 mol/L，0.3 mol/L，0.2 mol/L， mol/L，若使反應(yīng)在開始時(shí)正向進(jìn)行，濃度商Qc=<K=450，x=2.025，所以x應(yīng)滿足的條件是0<x<2.025；

b.當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到3min時(shí)，迅速將體系溫度升至600K，反應(yīng)正向進(jìn)行，反應(yīng)速率加快，反應(yīng)產(chǎn)生更多的甲醇，甲醇的濃度會(huì)增加，圖象為。

(3)①以固體氧化鋯氧化釔為電解質(zhì)這種固體電解質(zhì)在高溫下允許氧離子(O2-)在其間通過，分析該電池的工作原理如圖3所示可知負(fù)極是甲醇失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合導(dǎo)電離子和電荷守恒分析書寫電極反應(yīng)為：CH3OH-6e-+3O2-=CO2↑+2H2O；

②16g甲醇物質(zhì)的量n(CH3OH)= =0.5 mol，則其發(fā)生反應(yīng)時(shí)轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量n(e-)=0.5 mol×6=3 mol，因此理論上提供的電量最多Q=3 mol×9.65×104 C/mol=2.895×105 C。