Question

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

I．下列制氫方法最節能的是______（填字母序號）。

A．電解水制氫：2H2O2H2↑+O2↑

B．高溫使水分解制氫：2H2O2H2↑+O2↑

C．太陽光催化分解水制氫：2H2O2H2↑+O2↑

D．天然氣制氫：CH4+H2OCO+3H2

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

(1)若在一個定溫定容的容器中發生上述反應，反應達到平衡的標志是______ （填字母序號）。

A．CO2和CH3OH的濃度相等 B.3v正(H2)=v逆(H2O)

C．容器內壓強保持不變 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的關系如右圖，則上述CO2轉化為甲醇的反應的△H______0（填“>”、“<”或“=”）。

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

①若其他條件不變，將A點的體積壓縮至原來的一半，一段時間后反應再次達到平衡，與原平衡相比較下列說法正確的是_______（填字母序號）。

A.CO2的濃度減小 B．正反應速率增大，逆反應速率增大

C．甲醇的物質的量增加 D．重新平衡時n(H2)/n(CH3OH)增大

②B點平衡混合氣體的平均摩爾質量為________（保留一位小數）。

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

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；利用太陽光催化分解水制氫最節能，不需要使用熱能或電能等，故選C。

II．（1）可逆反應達到平衡的標志是：正反應速率與逆反應速率相等、反應物的濃度與生成物的濃度不再改變。A項，CO2和CH3OH的濃度相等時無法判斷其濃度是否不再改變，所以無法判斷是否平衡，故A錯誤；B項，用不同物質表示的速率數值之比等于化學計量數之比，所以v正(H2)=3v正(H2O)，則3v正(H2)=v逆(H2O)時，v正(H2O)≠v逆(H2O)，故沒有達到化學平衡狀態，故B錯誤；C項，該反應是氣體分子數減小的反應，定溫定容的容器中發生上述反應，只要不平衡壓強就會變化，所以容器內壓強保持不變時，反應達到平衡，故C正確；D項，H2的百分含量保持不變時，說明平衡不再發生移動，所以反應達到平衡，故D正確；E項，該反應的反應物和生成物均為氣體，氣體總質量一定，定容的容器中，密度=氣體總質量÷容積，所以密度始終不變，無法判斷是否平衡，故E錯誤。

（2）由圖可知，最高點時反應達到平衡，達到平衡后，溫度越高，φ(CH3OH)越小，說明升溫平衡逆向移動，因為升高溫度平衡向吸熱方向進行，所以逆反應為吸熱反應，則正反應為放熱反應，即△H＜0。

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

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