Question

回收利用CO₂是环境科学研究的热点课题，是减轻温室效应危害的重要途径 。

(1)工业上，利用天然气与二氧化碳反应制备合成气(CO和H₂)，化学方程式为CO₂(g) +CH₄(g)=2CO( g) +2H₂O(g)，上述反应的能量变化如图1所示，该反应是____(填“吸热反应”或“ 放热反应"”)。

(2)工业上用CO₂生产甲醇(CH₃OH)燃料，可以将CO₂变废为宝。在体积为IL的密闭容器中，充入l molCO₂和4mo1H₂，一定条件下发生反应：CO₂(g)+3H₂(g)=CH₃OH(g)+H₂O(g)，测得CO₂(g)和CH₃OH(g)的浓度随时间变化如图2所示。

①从反应开始到平衡，用CH₃OH 表示的平均反应速率为 ______。

②若反应CO₂(g) +3H₂ (g) = CH₃OH (g) +H₂O(g)在四种不同情况下的反应速率分别为：

A．v(H₂) =0.01 mol•L^-1 •s^-1 B．v(CO₂) =0.15 mol•L^-1 •s^-1

C．v(CH₃OH)=0.3 mol•L^-1 •min^-1 D．v(H₂O)=0.45 mol•L^-1 •min^-1

该反应进行由慢到快的顺序为_______(填字母)。

③下列描述能说明反应达到最大限度的是_____(填字母)

A．混合气体的密度保持不变

B．混合气体中CH₃OH 的体积分数约为21.4%

C．混合气体的总质量保持不变

D．H₂、CH₃OH的生成速率之比为3:1

(3)甲醇(CH₃OH )是一种可再生能源，具有广阔的开发和应用前景。以甲醇、氧气和KOH溶液为原料，石墨为电极制造新型手机电池，氧气在___极反应；电极反应式为______。

Answer

吸热反应 0.075 mol/ (L• min) A< C < D < B BD 正 O2 +2H2O+4e-=4OH-

【解析】

(1)反应物总能量大于生成物总能量，则该反应为放热反应，否则为吸热反应，根据图知，反应物总能量小于生成物总能量，则为吸热反应；
(2)①甲醇为产物，随着反应进行其浓度增大，10min时达到平衡状态，从反应开始到平衡，用CH3OH表示的平均反应速率为；

②单位相同的条件下，其反应速率与其计量数之比数值越大化学反应速率越快：

A．；

B．；

C．

D．；

通过以上分析知，反应速率由慢到快的顺序：A< C < D < B；

③A．反应前后气体总质量不变、容器体积不变，所以混合气体的密度始终保持不变，不能据此判断平衡状态，故A错误；
B．根据图知，达到平衡状态时，n（CH3OH）=0.75mol/L×1L=0.75mol，根据方程式知，生成的n（H2O）=n（CH3OH）=0.75mol，剩余的n（CO2）=0.25mol/L×1L=0.25mol，剩余的n（H2）=4mol-0.75mol×3=1.75mol，则混合气体中CH3OH的体积分数，所以该反应达到平衡状态，故B正确；
C．根据质量守恒定律知，混合气体的总质量始终保持不变，不能据此判断平衡状态，故C错误；
D．H2、CH3OH的生成速率之比为3：1，正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，故D正确；
故选BD；

(3)甲醇、氧气和KOH溶液为原料，石墨为电极制造新型手机电池，该电池为燃料电池，通入燃料甲醇的电极为负极，通入氧化剂氧气的电极为正极，溶液为碱性环境，故发生的电极反应为：O2 +2H2O+4e-=4OH-。