Question

2010年上海世博會的三大主題是“低碳、和諧、可持續發展”，意在倡導人們合理、科學地利用能源，提高能源的利用率．由于溫室效應和資源短缺等問題，如何降低大氣中的CO₂含量并加以開發利用，引起了全社會的普遍關注．
（1）科學家們提出利用工業廢氣中的CO₂可制取甲醇．已知在常溫常壓下，反應的熱化學方程式：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90kJ?mol^-1；②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ?mol^-1，寫出由二氧化碳、氫氣制備甲醇的熱化學方程式：______．
（2）在體積為1L的密閉容器中，充入1molCO₂和2.5molH₂在圖1示條件下測得CO₂和CH₃OH（g）的物質的量隨時間變化如圖所示．
①從反應開始到平衡，平均反應速率v（H₂）=______；
②反應的平衡常數K=______；
③下列對二氧化碳、氫氣制備甲醇的有關敘述正確的是______（填字母）．
A．升高溫度正反應速率減慢，逆反應速率加快
B．當3v_正（H₂）=v_逆（CO₂）時，該反應達到了平衡狀態
C．將H₂O（g）從體系中分離出來，可提高CO₂和H₂的轉化率
D．再充入1molCO₂和3molH₂，可使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大
（3）某實驗小組依據甲醇燃燒的反應原理，設計如圖2所示的燃料電池裝置．
①該電池工作時，OH^-向______極移動（填“正”或“負”），該電池正極的電極反應式為：______．
②以該燃料電池作為電源，電解精煉銅．若粗銅中含鋅、銀、金等雜質，則通電一段時間后，陽極減少的質量將（填“大于”、“等于”或“小于”）______陰極增加的質量．當陰極質量增加64g時，該燃料電池理論上需消耗O₂的體積為______L（標準狀況下）．

Answer 1

（1）根據蓋斯定律和已知熱化學方程式：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90kJ?mol^-1；②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ?mol^-1，可知二氧化碳、氫氣制備甲醇的熱化學方程式可由①-②得出，即：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂=-49kJ?mol^-1；
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂=-49kJ?mol^-1；
（2）①由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，v（CH₃OH）=0.075mol/（L?min），
由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知：v（H₂）=3v（CH₃OH）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min），
故答案為：0.225mol/（L?min）；
②CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始濃度 1 2.5 0 0
轉化濃度 0.75 2.25 0.75 0.75
平衡濃度 0.25 0.25 0.75 0.75
則該反應的平衡常數k=c（CH₃OH）c（H₂O）/c（CO₂）c³（H₂）=144；
故答案為：144；
③A．升高溫度，正、逆反應速率都加快；故A錯誤；
B．當該反應達到平衡狀態時，v_正（H₂）=3v_逆（CO₂）；故B錯誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離出來，減小生成物的濃度，平衡右移，可提高CO₂和H₂的轉化率；故C正確；
D．再充入1molCO₂和3molH₂，相當于充入1molCO₂和2.5molH₂達平衡后再通入0.5molH₂．等效為在定溫定壓達平衡后增大壓強再增大H₂的濃度，平衡向正反應移動，CO₂的轉化率增大，CH₃OH的產率提高；則n（CH₃OH）/n（CO₂）增大，故D正確；
故答案為：CD；
（3）①該燃料電池工作時，陰離子向負極移動，因為氧氣在堿性電解質溶液中得電子，所以電池正極的電極反應式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案為：負；O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②陽極上金屬鋅、銅都失電子發生氧化反應，陰極上銅離子得電子發生還原反應而析出銅，根據轉移電子守恒以及鋅比銅相對原子質量大但價態相同，可知A電極上質量減少的量大于B極質量增加的量；當陰極質量增加64g銅時，根據電子守恒：n（Cu）×2=n（O₂）×4，得n（O₂）=0.5mol，V（O₂）=11.2L
故答案為：大于； 11.2．