Question

缓解当前能源和资源紧张问题的方法无非是开源和节流两个方面，从开源角度看，有效地开发利用燃煤产生的CO₂重新合成新的燃料是一个途径，目前工业上用CO₂来生产甲醇的原理是CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，

(1)上述反应过程中的能量变化如图所示，该反应是_____________(填“吸热”或“放热”)反应。

(2)一定温度下，将5molCO₂和8molH₂充入2L恒容密闭容器中发生上述反应，测得H₂的物质的量与时间的关系如图所示，

0-1min内，用CO₂表示的平均反应速率v(CO₂)=________________(保留两位有效数字)；a点的逆反应速率________________b点的逆反应速率(填“＞”“＜”或“＝”)。

(3)对于在恒温恒容条件下进行的反应CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，下列叙述不能说明其已达到平衡状态的是________________(填序号)。

a. 混合气体的密度不再改变

b. 容器内的压强不再发生变化

c. CH₃OH(g)的浓度保持不变

d. 单位时间内消耗1molCO₂，同时生成1molCH₃OH

(4)甲醇燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置，结构如图所示（电解质溶液为稀硫酸）：

①Pt(b)电极上发生_____________(填“氧化”或“还原”)反应，电极反应式为________________________。

②如果该电池工作时导线中通过3mol电子，则理论上消耗甲醇的物质的量为__________________。

Answer

放热 0.33mol/(L·min) ＜ ad 还原 O2＋4e－＋4H＋=2H2O 0.5mol

【解析】

(1)根据吸热反应、放热反应中反应物和生成物的能量大小关系分析；

(2)根据速率的计算公式进行计算；根据可逆反应平衡建立过程中正逆反应速率的变化分析；

(3)由化学平衡状态的判断方法分析；

(4)由燃料电池的工作原理分析解答。

(1)由能量变化图可知，该反应中反应物的总能量高于生成物的总能量，故该反应为放热反应；

(2)由图像可知，0-1min内，，则，则用CO2表示的平均反应速率；由于该反应是从正反应方向建立平衡的，则在平衡之前，正反应反速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大，故a点的逆反应速率＜b点的逆反应速率；

(3)反应条件为恒温、恒容，该反应CO2(g)＋3H2(g)CH3OH(g)＋H2O(g)的正反应方向是气体分子数减少的反应，

a. 由质量守恒定律可知，混合气体的质量始终保持不变，又容器的容积不变，则混合气体的密度始终保持改变，则混合气体的密度不再改变时，不能说明反应已达到平衡状态，故a符合；

b. 该反应的正反应方向是气体分子数减少的反应，则随着反应的进行，容器内压强会发生变化，故容器内的压强不再发生变化时，能说明反应已达到平衡状态，故b不符合；

c. CH3OH(g)的浓度保持不变，说明正逆反应速率相等，能说明反应已达到平衡状态，故c不符合；

d. 单位时间内消耗1molCO2，同时生成1molCH3OH，均表示正反应速率，不能说明正逆反应速率相等，故单位时间内消耗1molCO2，同时生成1molCH3OH时，不能说明反应已达到平衡状态，故d符合；

故选ad；

(4)甲醇燃料电池通入燃料甲醇的一极为负极，即Pt(a)电极为负极，通入氧气的一极为正极，即Pt(b)电极为正极，电解质溶液为稀硫酸，

①Pt(b)电极为正极，发生还原反应，电极反应式为O2＋4e－＋4H＋=2H2O；

②Pt(a)电极为负极，发生氧化反应，电极反应式为，由关系式可知，如果该电池工作时导线中通过3mol电子，则理论上消耗甲醇的物质的量为0.5mol。