Question

4．增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)．愛護(hù)環(huán)境是每個(gè)公民的職責(zé)．利用碳的氧化物合成甲醇等資源化利用對(duì)環(huán)境保護(hù)具有重要意義．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）溶于海水的CO₂有4種存在形式．其中HCO₃^-占95%，除上述兩種形式外，碳的存在形式還有H₂CO₃、CO₃^2- （填微粒符號(hào)）；利用圖1裝置進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，a室的電極反應(yīng)式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．

（2）下列為合成甲醇的有關(guān)化學(xué)方程式
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）
③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
某溫度下，上述三個(gè)反應(yīng)的平衡常數(shù)數(shù)值分別為2.5，2.0和K₃，則K₃值為5.0．
（3）一定條件下，甲醇可同時(shí)發(fā)生：
A．2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃+H₂O（g）
B．2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）．
上述反應(yīng)過(guò)程中能量變化如圖2所示：
①寫出反應(yīng)速率較大的序號(hào)并說(shuō)明原因A；該反應(yīng)的活化能較小，在相同條件下反應(yīng)速率較大．
②若在容器中加入催化劑，則E₂-E₁將不變〔填“變大”、“不變”或“變小”〕．
（4）一定溫度時(shí)，容積相同的甲、乙、丙三個(gè)恒容密閉容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，發(fā)生反應(yīng)2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90kJ/mol，測(cè)得達(dá)平衡時(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

容器		甲	乙	丙
起始反應(yīng)物投入量		2molH2（g） 1molCO（g）	1mol CH3OH（g）	2mol CH3OH（g）
平衡	c（CH3OH）/mol/•L-1	c1	c2	c3
	反應(yīng)的能量變化/KJ	Q1	Q2	Q3

①表中數(shù)據(jù)存在的關(guān)系為：|Q₁|+|Q₂|=90（填＞、=或＜，下同）．2c₂＜c₃．
②在溫度不變、恒容條件下，該反應(yīng)的平衡常數(shù)數(shù)值K_p=4.80×10^-2，若甲容器中反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，p（CH₃OH）=24.0kPa，則平衡時(shí)，混合氣體中CH₃OH的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為61.5% （K_p是用平衡分壓代替平衡濃度所得的平衡常數(shù)，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸為弱酸，部分電離生成碳酸氫根；a室接電源的正極，為陽(yáng)極，水失去電子生成氧氣和氫離子；
（2）將①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）與②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）兩方程式相加，即K₃=K₁×K₂；
（3）①如圖分析可知，反應(yīng)的活化能越小反應(yīng)速率越快；
②加入催化劑能降低反應(yīng)的活化能，催化劑不改變反應(yīng)物總能量與生成物總能量之差即反應(yīng)熱不變；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效為在乙的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng)，生成1molCH₃OH的能量變化為90kJ，甲、乙平衡狀態(tài)相同，令平衡時(shí)甲醇為nmol，計(jì)算反應(yīng)熱數(shù)值：甲、乙處于相同的平衡狀態(tài)，則：|Q₁|+|Q₂|=90kJ；比較乙、丙可知，丙中甲醇的物質(zhì)的量為乙的2倍，壓強(qiáng)增大，對(duì)于反應(yīng)CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移動(dòng)；
②由2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反應(yīng)物投入量2mol H₂、l mol CO，設(shè)開始時(shí)氫氣壓強(qiáng)為2P，CO壓強(qiáng)為P，列三段式，根據(jù)平衡常數(shù)Kp=4.80×10^-2，計(jì)算出平衡時(shí)的總壓，最后根據(jù)CH₃OH的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為$\frac{分壓}{總壓}$進(jìn)行計(jì)算．

解答 解：（1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸為弱酸，部分電離生成碳酸氫根；a室發(fā)生氧化反應(yīng)：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案為：H₂CO₃、CO₃^2-；2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
（2）將①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）與②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）兩方程式相加得：③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），即K₃=K₁×K₂=2.5×2.0=5.0，
故答案為：5.0；
（3）①反應(yīng)的活化能越小反應(yīng)速率越快，在某密閉容器中，充人一定量CH₃OH（g）發(fā)生上述兩個(gè)反應(yīng)中反應(yīng)A和B相比，反應(yīng)A的活化能小、反應(yīng)速率快，
故答案為：A；該反應(yīng)的活化能較小，在相同條件下反應(yīng)速率較大；
②加入催化劑改變了反應(yīng)的途徑，降低反應(yīng)所需的活化能，所以E₁和E₂的變化是減小，催化劑不改變反應(yīng)物總能量與生成物總能量之差即反應(yīng)熱不變，E₂-E₁的大小為反應(yīng)的焓變，活化能大小對(duì)該反應(yīng)的反應(yīng)熱無(wú)影響，
故答案：不變；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效為在乙的基礎(chǔ)上增大壓強(qiáng)，生成1molCH₃OH的能量變化為90kJ，甲、乙平衡狀態(tài)相同，令平衡時(shí)甲醇為nmol，對(duì)于甲容器，|Q₁|═90n，等于乙容器|Q₂|=90（1-n），故|Q₁|+|Q₂|=90；
甲、乙處于相同的平衡狀態(tài)，比較乙、丙可知，丙中甲醇的物質(zhì)的量為乙的2倍，壓強(qiáng)增大，對(duì)于反應(yīng)CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移動(dòng)，所以2c₂＜c₃，
故答案為：90；＜；
②由：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反應(yīng)物投入量2mol H₂、l mol CO，設(shè)開始時(shí)氫氣壓強(qiáng)為2P，CO壓強(qiáng)為P，
開始（kPa） 2P       P                  0
轉(zhuǎn)化（kPa）48.0     24.0           24.0
平衡（kPa）2P-48    P-24         24
Kp=$\frac{24}{（2p-48）^{2}×（p-24）}$=4.80×10^-2，解得P=29.0kPa，則平衡混合氣體中CH₃OH的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為$\frac{分壓}{總壓}$=$\frac{24}{15+24}$×100%=61.5%，
故答案為：61.5%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，明確各個(gè)物理量關(guān)系及變化是解本題關(guān)鍵，注意（4）題等效平衡構(gòu)建，為易錯(cuò)點(diǎn)及難點(diǎn)．平衡常數(shù)的相關(guān)計(jì)算，難度較大．