Question

目前工业上有一种方法是用CO₂生产燃料甲醇(CH₃OH)。反应的化学方程式为：CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g)，该反应的能量变化如图所示：

(1)该反应是__反应(填“吸热”或“放热”)，判断的理由是___。

(2)某温度时，在体积为2L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，测得CO₂的物质的量随时间变化如下表所示：

时间/min	0	2	5	10	15
n(CO2)/mol	1	0.85	0.7	0.25	0.25

从反应开始到5min末，用CO₂表示的该反应的平均速率为__；反应达平衡时，H₂的转化率为__；要提高此反应的速率，可以采取___措施(填写2条)。

(3)若维持(2)的条件不变，能说明该反应已达平衡状态的是__(填序号)。

A.v生成(CH₃OH)=v消耗(CO₂)

B.CO₂、H₂、CH₃OH、H₂O浓度相等的状态

C.CO₂、H₂、CH₃OH、H₂O总物质的量保持不变的状态

D.CO₂的转化率保持不变的状态

(4)依据原电池原理，将甲醇设计成燃料电池如图：

则a为__极(填“正”或“负”)；H⁺从__极区向__极区迁移(用图中字母填)；b极上O₂发生反应电极反应式为：__。

Answer

放热 反应物的总能量大于生成物的总能量 0.03mol/(L·min) 75% 升温，使用催化剂，加压等 CD 负 a b O2+4e-+4H+=2H2O

【解析】

(2)根据计算反应速率；转化率=；

(3)化学反应达到化学平衡状态时，正逆反应速率相等，且不等于0，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理量不发生变化，以此进行判断；

(4)甲醇燃料电池中甲醇被氧气氧化，所以a电极为负极，b电极为正极。

(1)根据能量变化图可知反应物的总能量大于生成物的总能量，所以该反应为放热反应；

(2)根据表格数据可知5min末△n(CO2)=1mol-0.7mol=0.3mol，容器的体积为2L，所以v(CO2)==0.03mol/(L·min)；根据表格数据10min后二氧化碳的物质的量不再变化，说明此时反应达到平衡，该时段内△n(CO2)=1mol-0.25mol=0.75mol，根据反应方程式可知该时段内△n(H2)=0.75mol×3=2.25mol，所以氢气的转化率为=75%；

(3)A．反应平衡时正逆反应速率相等，v生成(CH3OH)和v消耗(CO2)描述的都是正反应速率，只要反应进行，二者就相等，故A不能说明达到平衡；

B．平衡时各物质的浓度不再改变，但不一定相等，故B不能说明反应达到平衡；

C．该反应前后气体系数之和不相等，所以未平衡时，气体的总物质的量会变，故C能说明反应平衡；

D．CO2的转化率保持不变说明其浓度不再改变，故D能说明反应平衡；

综上所述选CD；

(4)根据分析可知a为负极；原电池中氢离子从负极迁移到正极，即从a极区向b极区迁移；通入氧气的一极发生还原反应，与氢离子结合生成水，所以电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O。