Question

19．倡導(dǎo)“低碳經(jīng)濟(jì)”，降低大氣中CO₂的含量，有利于解決氣候變暖的環(huán)境問(wèn)題．
（Ⅰ）合成氣由H₂、CO和少量CO₂組成，已知下列反應(yīng)：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ/mol   K₁
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.1kJ/mol   K₂
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃    K₃
計(jì)算上述△H₃=-49kJ/mol；K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$（用K₁、K₂表示）
（Ⅱ）工業(yè)上可用CO₂來(lái)生產(chǎn)甲醇，反應(yīng)原理為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H＜0．
一定溫度下，在體積為2L的恒容密閉容器中，充入2mol CO₂和6mol H₂，一定條件下發(fā)生上述反應(yīng)，測(cè)得CO₂和CH₃OH的濃度隨時(shí)間變化如圖1所示．
（1）達(dá)到平衡時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率=75%．
（2）從反應(yīng)開(kāi)始到平衡．氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=0.225mol/（L．min）．
（3）容器內(nèi)的平衡壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為5：8．
（4）保持容積不變，下列措施中能使平衡體系中n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是CD （填字母）．
A．升高溫度                         B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大
C．將H₂O（g）從體系中分離出來(lái)         D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（5）以KOH溶液為電解質(zhì)，使用甲醇和氧氣可作燃料電池，則該電池負(fù)極反應(yīng)式CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（Ⅲ）以CO₂為碳源加氫還可制取乙醇：
2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=Q kJ/mol（Q＞0），
在密閉容器中，按CO₂與H₂的物質(zhì)的量之比為1：3進(jìn)行投料，在5MPa下測(cè)得不同溫度下平衡體系中各種物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)（y%）如圖2所示：
（1）表示CH₃CH₂OH體積分?jǐn)?shù)曲線的是b（填字母，下同）．
（2）在一定溫度下反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志是BC；
A．平衡常數(shù)K不再增大
B．CO₂的轉(zhuǎn)化率不再增大
C．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變
D．反應(yīng)物不再轉(zhuǎn)化為生成物
（3）其他條件恒定，若要提高CO₂的反應(yīng)速率，同時(shí)提高H₂轉(zhuǎn)化率，應(yīng)選擇D；
A．降低溫度  B．充入更多的H₂   C．移去乙醇  D．壓縮容器體積
（4）圖2中曲線a和c的交點(diǎn)R對(duì)應(yīng)物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)y_R=37.5%．

Answer 1

分析 （I）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ/mol K₁
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.1kJ/mol K₂
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），則△H₃=△H₁-△H₂，平衡常數(shù)K₃為①、②平衡常數(shù)的商；
（Ⅱ）一定溫度下，在體積為2L的恒容密閉容器中，充入2mol CO₂和6mol H₂，由圖可知平衡時(shí)甲醇濃度為0.75mol/L，平衡時(shí)二氧化碳濃度為0.25mol/L，則：
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始濃度（mol/L）：1       3        0          0
變化濃度（mol/L）：0.75    2.25     0.75       0.75
平衡濃度（mol/L）：0.25    0.75     0.75       0.75
（1）轉(zhuǎn)化率=$\frac{濃度變化量}{起始濃度}$×100%；
（2）根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
（3）壓強(qiáng)之比等于混合物總濃度之比；
（4）A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)；
B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，恒溫恒容下，反應(yīng)各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)；
C．將H₂O（g）從體系中分離出來(lái)，平衡正向移動(dòng)；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效則為增大，平衡正向移動(dòng)；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（Ⅲ）（1）反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，平衡時(shí)CO₂與H₂的含量減小，開(kāi)始n（CO₂）：n（H₂）=1：3，CO₂與H₂反應(yīng)按1：3進(jìn)行，平衡時(shí)H₂的含量是CO₂的含量三倍；
平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CH₃CH₂OH（g）、H₂O（g）的含量增大，CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時(shí)H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
（2）可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
（3）升高溫度、增大壓強(qiáng)、增大濃度等都可以增大CO₂的反應(yīng)速率，達(dá)到平衡后，提高H₂轉(zhuǎn)化率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，結(jié)合平衡移動(dòng)原理方向，注意不能只增大氫氣的濃度，否則會(huì)使氫氣轉(zhuǎn)化率降低；
（4）由（1）分析可知，圖中曲線a和c的交點(diǎn)R表示平衡時(shí)H₂O、H₂的含量相等，令H₂與CO₂的起始物質(zhì)的量分別為3mol、1mol，設(shè)平衡時(shí)CH₃CH₂OH的物質(zhì)的量為xmol，設(shè)平衡時(shí)乙醇的物質(zhì)的量為xmol，利用三段式表示出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，再根據(jù)CO₂、H₂O的含量相對(duì)列方程計(jì)算解答．

解答 解：（I）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ/mol K₁
②CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.1kJ/mol K₂
根據(jù)蓋斯定律，①-②可得：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），則△H₃=△H₁-△H₂=-90.1kJ/mol-（-41.1kJ/mol）=-49kJ/mol，平衡常數(shù)K₃=$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$，
故答案為：-49kJ/mol；$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$；
（Ⅱ）一定溫度下，在體積為2L的恒容密閉容器中，充入2mol CO₂和6mol H₂，由圖可知平衡時(shí)甲醇濃度為0.75mol/L，平衡時(shí)二氧化碳濃度為0.25mol/L，則：
               CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始濃度（mol/L）：1       3         0        0
變化濃度（mol/L）：0.75    2.25      0.75     0.75
平衡濃度（mol/L）：0.25    0.75      0.75     0.75
（1）達(dá)到平衡時(shí)，CO₂的轉(zhuǎn)化率=$\frac{0.75mol/L}{1mol/L}$×100%=75%，故答案為：75%；
（2）v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L．min），故答案為：0.225mol/（L．min）；
（3）壓強(qiáng)之比等于混合物總濃度之比，容器內(nèi)的平衡壓強(qiáng)與起始?jí)簭?qiáng)之比為4mol/L：（0.25+0.75×3）mol/L=5：8，故答案為：5：8；
（4）A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，n（CH₃OH）：n（CO₂）的值減小，故A錯(cuò)誤；
B．充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，恒溫恒容下，反應(yīng)各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，n（CH₃OH）：n（CO₂）的值不變，故B錯(cuò)誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離出來(lái)，平衡正向移動(dòng)，n（CH₃OH）：n（CO₂）的值增大，故C正確；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效則為增大，平衡正向移動(dòng)，n（CH₃OH）：n（CO₂）的值增大，故D正確，
故選：CD；
（5）原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（Ⅲ）（1）反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升高溫度平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，平衡時(shí)CO₂與H₂的含量減小，開(kāi)始n（CO₂）：n（H₂）=1：3，CO₂與H₂反應(yīng)按1：3進(jìn)行，平衡時(shí)H₂的含量是CO₂的含量三倍；
平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CH₃CH₂OH（g）、H₂O（g）的含量增大，CH₃CH₂OH與H₂O按1：3生成，平衡時(shí)H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍；
曲線a、曲線b隨溫度升高含量增大，且曲線a的含量高，所以曲線a表示H₂O、曲線b表示CH₃CH₂OH，
曲線c、曲線d隨溫度升高含量減小，且曲線c的含量高，所以曲線c表示H₂、曲線d表示CO₂，
故答案為：b；
（2）A．平衡常數(shù)K只受溫度一定，溫度不變，平衡常數(shù)不變，不能說(shuō)明到達(dá)平衡，故A錯(cuò)誤；
B．CO₂的轉(zhuǎn)化率不再增大，說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)最大限度，故B正確；
C．混合氣體總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行混合氣體總物質(zhì)的量變化，平均相對(duì)分子質(zhì)量變化，當(dāng)混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變，說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)平衡，故C正確；
D．化學(xué)平衡是動(dòng)態(tài)平衡，所以反應(yīng)物和生成物一直在不停的轉(zhuǎn)化，故D錯(cuò)誤，
故選：BC；
（3）A．降低溫度，反應(yīng)速率減慢，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，平衡逆向移動(dòng)，氫氣轉(zhuǎn)化率減小，故A錯(cuò)誤；
B．充入更多的H₂，可以提高CO₂的反應(yīng)速率，但氫氣轉(zhuǎn)化率降低，故B錯(cuò)誤；
C．移去乙醇，使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，能提高H₂轉(zhuǎn)化率，但CO₂的反應(yīng)速率降低，故C錯(cuò)誤，
D．壓縮容器體積，增大壓強(qiáng)，CO₂的反應(yīng)速率加快，平衡正向移動(dòng)，氫氣轉(zhuǎn)化率提高，故D正確，
故選：D．
（4）由（1）分析可知，圖中曲線a和c的交點(diǎn)R表示平衡時(shí)H₂O、H₂的含量相等，令H₂與CO₂的起始物質(zhì)的量分別為3mol、1mol，設(shè)平衡時(shí)CH₃CH₂OH的物質(zhì)的量為xmol，則：
           2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）
開(kāi)始（mol）：1        3          0           0
變化（mol）：2x       6x         x          3x
平衡（mol）：1-2x     3-6x       x          3x
故3-6x=3x，解得x=$\frac{1}{3}$
故圖中曲線a和c的交點(diǎn)R對(duì)應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)y_a=$\frac{3x}{1-2x+3-6x+x+3x}$=$\frac{3x}{4-4x}$=$\frac{3×\frac{1}{3}}{4-4×\frac{1}{3}}$=37.5%，
故答案為：37.5．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡狀態(tài)判斷、反應(yīng)速率計(jì)算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、蓋斯定律應(yīng)用等，（Ⅲ）中判斷曲線表示哪一物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)是關(guān)鍵，側(cè)重考查學(xué)生對(duì)圖象的分析與平衡移動(dòng)的理解，難度較大．