Question

甲醇是重要的化工原料。利用合成气(主要成分为CO、CO₂和H₂)在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下：

i CO₂(g)+ 3H₂(g) CH₃OH(g)+ H₂O(g)   ∆H₁=Q kJ·mol^-1

ii. CO₂(g)+ H₂(g) CO(g)+H₂O(g)       ∆H₂=+41 kJ·mol^-1

iii. CO(g)+2H₂(g) CH₃OH(g)          ∆H₃=− 99 kJ·mol^-1

回答下列问题：

（1）Q=_________

（2）图中能正确反映平衡常数K₃(反应iii的平衡常数)随温度变化关系的曲线为__（填字母）

（3）如图为单位时间内CO₂+H₂、CO+ H₂、CO/CO₂+H₂三个条件下生成甲醇的物质的量浓度与温度的关系(三个条件下通入的CO、CO₂和H₂的物质的量浓度相同)。490K时，根据曲线a、c判断合成甲醇时主要发生的反应为________(填“i”或“iii”)；由曲线a可知，甲醇的量先增大后减小，其原因是_________________________________。

（4）如图是以NaOH溶液为电解质溶液的甲醇燃料电池:电极a的反应式为____________，若隔膜为阳离子交换膜，则每转移6mol电子，溶液中有_______mol Na⁺向____________(填“正极区”或“负极区")移动。

（5）CO₂经催化加氢也可以生成低碳烃，主要有两个竞争反应：

反应I:CO₂(g)+4H₂(g) CH₄(g)+2H₂O(g)

反应II :2CO₂(g)+6H₂(g) C₂H₄(g)+4H₂O(g)

在1L恒容密闭容器中充入2molCO₂和4molH₂测得平衡时有关物质的物质的量随温度变化如图所示。T₁℃时,CO₂的转化率为______。T₁℃时，反应I的平衡常数K=_________(保留三位有效数字)。

Answer

−58 a i 温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度升高速率加快，甲醇物质的量增多，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移，甲醇物质的量减少 CH3OH −6e－ + 8OH－ = CO32− +6H2O 6 正极区 30% 0.0129 L−2∙mol −2

【解析】

⑴根据盖斯定律第二个方程式加第三个方程式得到第一个方程式。

⑵反应iii是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小。

⑶ 490K时，根据图像主要是发生曲线a反应；甲醇的量先增大后减小，其原因是温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度升高速率加快，甲醇物质的量增多，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移，甲醇物质的量减少。

⑷甲醇燃料电池中燃料作负极，氧化剂作正极，每转移6mol电子，b极时有6mol OH－生成，根据原电池“同性相吸”原理。

⑸T1℃时，计算生成CH4、C2H4物质的量，根据方程式计算生成CH4、C2H4消耗CO2的物质的量，再计算总消耗CO2的物质的量，再计算CO2的转化率；T1℃时，先计算反应I生成CH4、H2O的物质的量，再计算消耗的CO2和H2的物质的量，再计算反应II生成C2H4、H2O的物质的量，再计算消耗的CO2、H2的物质的量，平衡时还剩余CO2、H2的物质的量，共生成H2O的物质的量，再求反应I的平衡常数。

⑴根据盖斯定律第二个方程式加第三个方程式得到第一个方程式，即∆H1 =+41 kJ·mol−1+ (− 99 kJ·mol−1) =−58 kJ·mol−1；故答案为：−58。

⑵反应iii是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，平衡常数减小，因此图中能正确反映平衡常数K3(的平衡常数)随温度变化关系的曲线为a；故答案为：a。

⑶ 490K时，根据图像主要是发生曲线a反应，因此合成甲醇时主要发生的反应为i；由曲线a可知，甲醇的量先增大后减小，其原因是温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度升高速率加快，甲醇物质的量增多，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移，甲醇物质的量减少；故答案为：i；温度低于490K时单位时间内反应未达到平衡，温度升高速率加快，甲醇物质的量增多，温度高于490K时单位时间内反应达到平衡，反应i为放热反应，升高温度平衡左移，甲醇物质的量减少。

⑷甲醇燃料电池中燃料作负极，氧化剂作正极，因此电极a的反应为CH3OH失去电子，在氢氧化钠作用下生成碳酸根，其反应式为CH3OH −6e－ + 8OH－ = CO32− +6H2O，若隔膜为阳离子交换膜，则每转移6mol电子，b极时有6mol OH－生成，根据原电池“同性相吸”原理，因此溶液中有6 mol Na+向正极区移动；故答案为：CH3OH −6e－ + 8OH－ = CO32− +6H2O；6；正极区。

⑸T1℃时，生成CH4物质的量为0.2mol，生成C2H4物质的量为0.2mol，根据方程式生成0.2mol CH4，则消耗CO2物质的量为0.2mol，生成0.2mol C2H4，则消耗CO2物质的量为0.4mol，共消耗CO2物质的量为0.6mol，因此CO2的转化率为；T1℃时，反应I生成0.2mol CH4，0.4mol H2O，消耗0.2mol CO2，0.8mol H2，反应II生成0.2mol C2H4，0.8mol H2O，消耗0.4mol CO2，1.2mol H2，平衡时还剩余1.4mol CO2，2mol H2，共生成1.2mol H2O，因此反应I的平衡常数；故答案为：30%；0.0129 L−2∙mol −2。