Question

【題目】2018年5月9日科技網報道，最新一期國際學術期刊《自然·納米技術》介紹了我國科學家曾杰團隊的成果：在含鉑高效催化劑作用下把二氧化碳高效轉化清潔液態燃料——甲醇。

（1）甲醇燃燒時發生如下反應（a、b、c、d均大于0）：

①2CH3OH(1)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H1=-akJ·mol-1

②2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H2=-bkJ·mol-1

③CH3OH(1)+3/2O2（g）=CO2(g)+2H2O(1) △H3=-ckJ·mol-1

④CH3OH(1)+O22(g)=CO (g)+2H2O(1) △H4=-dkJ·mol-1

由此知，a、b、c、d由小到大排序為_______。

（2）工業上，通常采用氫氣還原CO2法制備甲醇CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(1) △H

已知幾種化學鍵的鍵能數據如下：

共價鍵	C=O	H-H	C-O	C-H	H-O
鍵能/kJ·mol-1	803	436	326	414	464

根據鍵能數據估算上述反應中△H=____________kJ·mol-1。

（3）在2L恒容密閉容器中充入2 mol CO2和6.5mlH2，在一定溫度下反應，測得混合氣體中c（CH3OH）與時間的關系如圖1所示。

①M點CO2的正反應速率___________N點CO2的逆反應速率（選填“大于”“小于”或“等于”）。

②0~10min內H2的平均反應速率v（H2）=___________mol·L-1·min-1。

③在該溫度下，該反應平衡常數K為________。（結果保留兩位小數并要求帶單位）

（4）在密閉容器中充入一定量CO2和H2，在含鉑催化劑作用下反應，測得單位時間內CO2的轉化率與溫度關系如圖2所示。

①R點對應的CO2轉化率最大，其原因是_________________。

②在Q點時CO2的轉化率突變的原因可能是_________________。

（5）以石墨為電極，甲醇/空氣堿性（KOH溶液為電解質溶液）燃料電池的能量轉化效率高。當KOH恰好完全轉化成KHCO3時停止放電，此時負極的電極反應式為_____________。

Answer 1

【答案】 d、c、a、b（或d＜c＜a＜b ) －46 大于 0.225 2.25 (Lmin-1)2 R點之前未達到平衡，溫度升高，反應速率加快，單位時間內轉化率增大；R點為平衡點，該反應正反應是放熱反應，R點之后，升溫平衡向左移動，轉化降低 Q點對應的溫度使催化劑失去活性（或該溫度下催化劑的選擇性降低） CH3OH－6e-＋7OH-＝HCO3-＋5H2O

【解析】(1)根據產物、狀態、化學計量數判斷，液態變氣態時要吸收熱量，放出熱量分析判斷；

(2)根據反應熱等于斷裂化學鍵的總鍵能與形成化學鍵的總鍵能之差計算；

(3)①根據M點未達到平衡，向正方向進行；N點達到平衡，正、逆反應速率相等分析判斷；②根據υ(H2)＝計算；③利用三段式計算出平衡時四種物質的濃度，再根據K＝計算；

(4)①分析R點轉化率最大，可以從兩個角度一是平衡前，溫度對反應速率的影響，單位時間內轉化率，其實與速率相關。二是平衡后，升溫，平衡移動；②從催化劑活性角度解釋Q點轉化率突變；

(5)負極上甲醇發生氧化反應，氧化產物為KHCO3，據此書寫負極的電極反應式。

(1)①2CH3OH(1)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H1=-akJ·mol-1；②2CH3OH(g)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(1) △H2=-bkJ·mol-1；③CH3OH(1)+3/2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H3=-ckJ·mol-1；④CH3OH(1)+O22(g)=CO (g)+2H2O(1) △H4=-dkJ·mol-1；根據產物、狀態、化學計量數判斷，液態變氣態時要吸收熱量，放出熱量：②＞①＞③＞④，故d＜c＜a＜b，故答案為：d＜c＜a＜b；

(2)反應熱等于斷裂化學鍵的總鍵能與形成化學鍵的總鍵能之差。ΔH＝(803×2＋436×3－326－414×3－464－464×2)kJ·mol-1＝－46 kJ·mol-1，故答案為：－46；

(3)①M點未達到平衡，向正方向進行，正反應速率減小；N點達到平衡，正、逆反應速率相等，所以，M點正反應速率大于N點逆反應速率，故答案為：大于；

②υ(H2)＝mol·L-1min-1＝0.225 mol·L-1min-1，故答案為：0.225；

③ CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)

起始濃度(mol/L) 1 3.25 0 0

轉化濃度(mol/L) 0.75 2.25 0.75 0.75

平衡濃度(mol/L) 0.25 1.00 0.75 0.75

K＝＝(Lmin-1)2＝2.25 (Lmin-1)2，故答案為：2.25 (Lmin1)2；

(4)①單位時間內反應物轉化率與速率有關。分析R點轉化率最大，從兩個角度考慮：一是平衡前，溫度對反應速率的影響，單位時間內轉化率，其實與速率相關。二是平衡后，升溫，平衡移動。即R點之前未達到平衡，溫度升高，反應速率加快，單位時間內轉化率增大；R點為平衡點，該反應正反應是放熱反應，升溫平衡向左移動，轉化降低，故答案為：R點之前未達到平衡，溫度升高，反應速率加快，單位時間內轉化率增大；R點為平衡點，該反應正反應是放熱反應，R點之后，升溫平衡向左移動，轉化降低；

②從催化劑活性角度解釋Q點轉化率突變。即Q點對應的溫度使催化劑失去活性(或該溫度下催化劑的選擇性降低)，故答案為：Q點對應的溫度使催化劑失去活性(或該溫度下催化劑的選擇性降低)；

(5)負極上甲醇發生氧化反應，氧化產物為KHCO3。故負極的電極反應式為CH3OH－6e＋7OH＝HCO3＋5H2O，故答案為：CH3OH－6e＋7OH＝HCO3＋5H2O。