Question

【題目】碳及其化合物在科研、工業(yè)生產中有著重要作用。請按要求回答下列問題。

（1）一定條件下，CH4 和 CO2 都能與 H2O 形成籠狀結構的水合物晶體，CH4 與 H2O形成的水合物俗稱“可燃冰”。已知：CO2（g）+nH2O（l）=CO2·nH2O（s）△H=-57.98 kJ·mol-1， CH4（g）+nH2O（l）=CH4·nH2O（s） △H=-54.49 kJ·mol-1 。則反應： CO2（g）+CH4·nH2O（s） = CH4（g） +CO2·nH2O（s）的△H=_______________；該反應能在一定 條件下自發(fā)進行的理論依據(jù)是______________。

（2）固定和利用 CO2 能有效地利用資源并減少空氣中的溫室氣體。工業(yè)上利用 CO2 生產甲醇方法的反應原理：CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g） ΔH＜0�，F(xiàn)將6mol CO2 和 8 mol H2 充入一容積為 2 L 的密閉容器中（溫度保持不變），測得 H2 的物質的量隨時間變化如下圖實線所示。

①該反應在 0～8 min 時，H2 的平均反應速率：_____________；v 正（a）_____________v 正（d）（填“<”“>”“=”）；CO2 的平衡轉化率：_____________。該溫度下平衡常數(shù)的值 為_____________。

②若起始反應物投料量不變，重新進行兩次實驗（每次僅改變某一條件），所測得 H2 的物質的量隨時間變化如上圖中兩條虛線。則 b、c、d 三點平衡常數(shù)： K（b）______________K（c）______________K（d）（填“<”“>”“=”）。

③在恒溫恒容的條件下，再充入 3 mol CO2 和 4 mol H2，達新平衡時，H2O 的體積分數(shù)將______________（填“增大”“不變”或“減小”）

（3）如圖為甲醇燃料電池，其負極電極 方程式為______________。

Answer 1

【答案】-3.49 kJ·mol-1 △G=△H- T·△S＜0 0.375mol·L-1·min-1 > 33.3% 0.5 ＜ = 增大 CH3OH-6e-+ H2O = CO2+6H+

【解析】

(1)由蓋斯定律可知，CO2(g)+nH2O(l)=CO2·nH2O(s)△H=-57.98 kJ·mol-1，CH4(g)+nH2O(s) =CH4·nH2O(s) △H=-54.49 kJ·mol-1，以上兩個式子相減得CO2(g)+CH4·nH2O(s)=CH4(g) +CO2·nH2O(s) △H=(-57.98 kJ·mol-1)-(-54.49)=-3.49 kJ·mol-1；判斷反應能否自發(fā)進行，依據(jù)△G=△H- T·△S，若△G＜0，反應能自發(fā)進行；△G＞0反應不能自發(fā)進行，因為該反應的△H=-3.49 kJ·mol-1＜0，所以一定條件下能自發(fā)進行；

(2)①計算0～8 min 時，H2 的物質的量的變化，求出H2 的物質的量濃度的變化，依據(jù)反應中反應物、生成物物質的量變化之比等于化學計量數(shù)之比，計算出△n(CO2)、△n(CH3OH)、△n(H2O)，然后計算出平衡時的反應物、生成物的物質的量濃度；

②如圖所示，以d點實線曲線為標準分析，b點曲線反應速率增大，但轉化的氫氣的物質的量少，應是升高溫度，因該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動；c點曲線反應速率增大，轉化的氫氣的物質的量多，平衡正向移動，應是增大壓強；平衡常數(shù)只受溫度的影響，該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減�。�

③借助于等效平衡處理該題，達到平衡后在通入反應物物質的量之比與平衡前通入反應物的物質的量之比相等，相當于增大壓強，反應物生成物濃度同等倍數(shù)增加。

(3)甲醇燃料電池，負極發(fā)生氧化反應，正極發(fā)生還原反應，圖中的交換層為質子交換層，故電解質為酸，負極的電極反應式：CH3OH-6e-+ H2O = CO2+6H+。

(1)由蓋斯定律可知，CO2(g)+nH2O(l)=CO2·nH2O(s)△H=-57.98 kJ·mol-1，CH4(g)+nH2O(s)=CH4·nH2O(s) △H=-54.49 kJ·mol-1，以上兩個式子相減得CO2(g)+CH4·nH2O(s)= CH4(g) +CO2·nH2O(s) △H=(-57.98 kJ·mol-1)-( -54.49)=-3.49kJ·mol-1；根據(jù)體系自由能變化△G=△H- T·△S，判斷反應能否自發(fā)進行，若△G=△H-T·△S＜0，反應能自發(fā)進行；

(2)①該反應在0～8 min時，△n(H2)=8mol-2mol=6mol，v(H2)==0.375mol·L-1·min-1；由a到d的過程，反應物的濃度逐漸減小，正反應速率逐漸變慢，故v正(a)＞v正(d)；反應中變化的物質的量之比等于化學計量數(shù)之比，因為△n(H2)=6mol，所以△n(CO2)=2mol，△n(CH3OH)=△n(H2O)=2mol，CO2的平衡轉化率：×100%=33.3%；平衡時n(H2)=8mol-6mol=2mol，n(CO2)=6mol-2mol=4mol，n(CH3OH)=n(H2O)=2mol，平衡時反應物生成物的物質的量濃度為：c(H2)=c(CH3OH)=c(H2O)= =1mol·L-1，c(CO2) ==2 mol·L-1，該溫度下平衡常數(shù)的值為： =0.5；

②根據(jù)圖像，b點曲線反應速率增大，但與d點所在的實線曲線相比，轉化的氫氣的物質的量少，應是升高溫度，因CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH＜0，該反應正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，不利于氫氣的轉化，故b點曲線改變的條件是升高溫度；c點曲線反應速率增大，但與d點所在的實線曲線相比，轉化的氫氣的物質的量多，因增大壓強平衡正向移動，故c點曲線改變的條件是增大壓強；平衡常數(shù)只受溫度的影響，該反應放熱，升高溫度平衡逆向移動，平衡常數(shù)減小，故溫度越高平衡常數(shù)越小，b點曲線溫度最高，d點實線曲線和c點曲線溫度相同，即T(b)＞T(c)=T(d)故K(b)＜K(c)=K(d)；

③在恒溫恒容的條件下，再充入3mol CO2和4 molH2，相當于同等倍數(shù)的增大反應物的物質的量濃度，壓強增大，平衡向著氣體分子數(shù)減小的方向(正反應方向)移動，H2O 的體積分數(shù)將增大；

(3)甲醇燃料電池，負極發(fā)生氧化反應，圖中的交換層為質子交換層，故電解質為酸，負極的電極反應式：CH3OH-6e-+ H2O = CO2+6H+。