Question

【題目】“低碳循環”引起各國的高度重視，而如何降低大氣中CO2的含量及有效地開發利用CO2，引起了全世界的普遍重視。將CO2轉化為甲醇：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)。

（1）在一恒溫恒容密閉容器中充入1 mol CO2和3 mol H2進行上述反應。測得CO2(g)和CH3OH(g)濃度隨時間變化如圖所示。

①0～10 min內，氫氣的平均反應速率為____________，第10 min后，保持溫度不變，向該密閉容器中再充入1 mol CO2(g)和1 mol H2O(g)，則平衡________(填“正向”“逆向”或“不”)移動。

②若已知：CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1；

2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝－b kJ·mol－1；

H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－c kJ·mol－1；

CH3OH(g)===CH3OH(l)　ΔH＝－d kJ·mol－1。

則表示CH3OH(l)燃燒熱的熱化學方程式為______________________________________。

（2）如圖，25 ℃時以甲醇燃料電池(電解質溶液為稀硫酸)為電源來電解600 mL一定濃度的NaCl溶液，電池的正極反應式為_________________________________。

在電解一段時間后，NaCl溶液的 pH 變為12(假設電解前后NaCl溶液的體積不變)，則理論上消耗甲醇的物質的量為________mol。

（3）向（2）U形管內電解后的溶液（假設NaCl溶液完全被電解）中通入標準狀況下89.6 mL 的CO2氣體，則所得溶液呈________(填“酸”“堿”或“中”)性，溶液中各離子濃度由大到小的順序為______________________________。

Answer 1

【答案】0.225 mol·L－1·min－1 正向 CH3OH(l)＋3/2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－(3b/2＋2c－a－d) kJ·mol－1 O2＋4e－＋4H＋===2H2O 0.001 堿 c(Na＋ ) > c(HCO3-) > c(CO32-) > c(OH－) > c(H＋)

【解析】

（1）①根據化學反應速率v=△c/△t計算，0～10min內，二氧化碳的平均反應速率，向該容器中再充入1mol CO2和3mol H2，會使得壓強增大；

②應用蓋斯定律解析。

（2）在甲醇燃料電池中，在正極放電的為氧氣，結合酸性的電解質溶液，即寫出正極反應；NaCl溶液的pH值變為12，即可求出電解池中放電的H＋的物質的量為0.03mol，即電解池的陰極得0.03mol電子，根據流經四個電極的電量相等，從而得出消耗甲醇的量．

（3）通入 CO2 后，得到等濃度的 Na2CO3 和 NaHCO3 的混合溶液，CO32－的水解程度大于 HCO3－ 的水解程度，所以 c(Na＋)>c( HCO3－ )>c(CO32－)>c(OH－)>c(H＋)。

（1）①根據化學反應速率v=△c/△t計算，0～10min內，二氧化碳的平均反應速率=（1.0mol·L－1-0.25mol·L－1）/10min=0.075mol/（L·min），所以氫氣的反應速率是3×0.075mol/（L·min）=0.225mol/（L·min），向該容器中再充入1mol CO2和3mol H2，會使得壓強增大，所以再次達到平衡時CH3OH（g）的體積分數變大，平衡正向移動。

②已知：（A）CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)　ΔH＝－a kJ·mol－1；

（B）2H2(g)＋O2(g)===2H2O(g)　ΔH＝－b kJ·mol－1；

（C）H2O(g)===H2O(l)　ΔH＝－c kJ·mol－1；

（D）CH3OH(g)===CH3OH(l)　ΔH＝－d kJ·mol－1。

根據蓋斯定律：－(3B/2＋2C－A－D) ，則表示CH3OH(l)燃燒熱的熱化學方程式為CH3OH(l)＋3/2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(l) ΔH＝－(3b/2＋2c－a－d) kJ·mol－1 。

（2）在甲醇燃料電池（電解質溶液為稀硫酸）中，正極發生還原反應，即O2放電，根據電解質溶液為酸性溶液，得出正極反應為：O2+4e－+4H＋=2H2O；

NaCl溶液的pH值變為12，即得出△n（OH－）=（10-2-10-7）×0.6L=0.006mol=△n（H＋），根據電解池中陰極的電極反應2H＋+2e－=H2↑可知電解池的陰極得0.006mol電子．而流經四個電極的電量相等，根據燃料電池的負極反應CH3OH-6e－+H2O=CO2+6H＋可知CH3OH～6e－，故失0.006mol電子時消耗0.001mol甲醇．

（3）標準狀況下89.6 mL 的CO2氣體的物質的量為：0.0896L/22.4L·mol－1=0.004mol,△n（OH－）=（10-2-10-7）×0.6L=0.006mol，通入 CO2 后，得到等濃度的 Na2CO3 和 NaHCO3 的混合溶液，CO32－的水解程度大于 HCO3－ 的水解程度，所以 c(Na＋)>c( HCO3－ )>c(CO32－)>c(OH－)>c(H＋)。