Question

隨著能源與環(huán)境問題越來越被人們關(guān)注，碳一化學(xué)（C1化學(xué)）成為研究的熱點．“碳一化學(xué)”即以單質(zhì)碳及CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等含一個碳原子的物質(zhì)為原料合成工業(yè)產(chǎn)品的化學(xué)與工藝．
（1）將CO₂轉(zhuǎn)化成有機(jī)物可有效實現(xiàn)碳循環(huán)．CO₂轉(zhuǎn)化成有機(jī)物的例子很多，如：
a．6CO₂+6H₂O

太陽光  .

C₆H₁₂O₆
b．CO₂=3H₂

催化劑

△

CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄

催化劑

△

CH₃COOHd．2CO₂+6H₂

催化劑

△

CH₂=CH₂+4H₂
在以上屬于人工轉(zhuǎn)化的反應(yīng)中，原子利用率最高的是

 

（填序號）．
（2）CO可用于合成甲醇．在壓強(qiáng)0.1MPa條件下，在體積為bL的密閉容器中充入amolCO和2amolH₂，在催化劑作用下合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．平衡時CO的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖．
①該反應(yīng)屬于

 

反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）．若一個可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)K值很大，對此反應(yīng)的說法正確的是

 

（填序號）．
a．反應(yīng)使用催化劑意義不大
b．該反應(yīng)發(fā)生將在很短時間內(nèi)完成
c．該反應(yīng)達(dá)到平衡時至少有一種反應(yīng)物百分含量很小
d．該反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)
②100℃時，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

（用a，b的代數(shù)式表示）．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．工業(yè)上可利用煤的氣化產(chǎn)物（水煤氣）合成二甲醚．
①工業(yè)上利用水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：
a．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.8kJ．mol^-1
b．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ．mol^-
c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ．mol
總反應(yīng)：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

 

．
②對于反應(yīng)b，在溫度和容積不變的條件下，能說明該反應(yīng)已達(dá)到平衡狀態(tài)的是

 

（填字母）．
a．n（CH₃OH）=n（CH₃OCH₃）=n（H₂O）
b．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變
c．H₂O（g）的濃度保持不變
d．CH₃OH的消耗速率與CH₃OCH₃的消耗速率之比為2：1
（4）以KOH溶液為電解質(zhì)，用二甲醚-空氣組成燃料，其中負(fù)極的電極反應(yīng)式為

 

．
（5）C1化合物在治理汽車尾氣方面也大有可為，如CO、CH₄等在一定條件下均可以與氮氧化物生成無污染的物質(zhì)．寫出CO與氮氧化物（NO_x）在有催化劑的條件下反應(yīng)的化學(xué)方程式

 

．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡的計算,化學(xué)平衡建立的過程,化學(xué)平衡的影響因素

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）原子利用率最高的是把所有的反應(yīng)物全部轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物；
（2）①由圖可知，壓強(qiáng)一定時，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率降低，故升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動，據(jù)此判斷；②
利用三段式計算出平衡時各組分的物質(zhì)的量，進(jìn)而求出平衡時各組分的濃度，代入平衡常數(shù)計算；
（3）①利用蓋斯定律計算；
②當(dāng)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理性不變，以此解答該題；
（4）燃料電池中，負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，注意介質(zhì)的參與；
（5）氮氧化物和一氧化碳反應(yīng)生成氮?dú)夂投�氧化碳，根�?jù)化合價升降相等配平．

解答： 解：（1）a、CO₂轉(zhuǎn)化為C₆H₁₂O₆之外還有氧氣產(chǎn)生，故a錯誤；
b、CO₂轉(zhuǎn)化為CH₃OH有水產(chǎn)生，故b錯誤；
c、CO₂和CH₄反應(yīng)全部轉(zhuǎn)化為劑CH₃COOH，故c正確；
d、CO₂和H₂反應(yīng)生成乙烯之外還有水的生成，故d錯誤；
故選c；
（2）①由圖可知，壓強(qiáng)一定時，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率降低，故升高溫度平衡向逆反應(yīng)移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
a．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說明該反應(yīng)在通常條件下一定可以發(fā)生，該反應(yīng)可能需要催化劑才可以進(jìn)行，故a錯誤；
b．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說明該條件下反應(yīng)速率很快，故b錯誤；
c．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，反應(yīng)達(dá)平衡時至少有一種反應(yīng)物的百分含量很小，故c正確；
d．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說明該反應(yīng)是吸熱還是放熱，故d錯誤，
故答案為：放熱；c；
②100℃，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以參加反應(yīng)的CO的物質(zhì)的量為0.5amol．
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；
開始（mol）：a       2a         0
變化（mol）：0.5a    a         0.5a
平衡（mol）：0.5a    a          0.5a
平衡（mol/L）

0.5a

b

   

a

b

        

0.5a

b

100℃時該反應(yīng)的平衡常數(shù)k=

0.5a b

0.5a b ×( a b )2

=

b2

a2

，故答案為：

b2

a2

；
（3）①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ?mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ?mol^-1
由蓋斯定律可知，通過①×2+②+③可得所求反應(yīng)方程式，則△H=-90.8kJ?mol^-1×2-23.5kJ?mol^-1-41.3kJ?mol^-1=-246.4kJ?mol^-1；
故答案為：-246.4kJ?mol^-1；
②a．達(dá)到平衡時，物質(zhì)的量不變，不是相等，故a錯誤；
b．該反應(yīng)是一個反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，無論該反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，壓強(qiáng)始終不變，所以不能根據(jù)平衡體系的總壓判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．平衡時各物質(zhì)的濃度不變，故c正確；
d．CH₃OH的消耗速率與CH₃OCH₃的消耗速率之比為2：1，符合正逆反應(yīng)速率相等，故d正確；
故選cd；
（4）二甲醚失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚生成的二氧化碳會和氫氧根離子反應(yīng)生成碳酸根離子，
所以該電池中負(fù)極上的電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（5）氮氧化物和一氧化碳反應(yīng)生成氮?dú)夂投�氧化碳，根�?jù)氮元素化合價變化，配平反應(yīng)的方程式，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：2xCO+2NO_x

催化劑  .

2xCO₂+N₂，
故答案為：2xCO+2NO_x

催化劑  .

2xCO₂+N₂．

點評：本題考查化學(xué)平衡圖象、化學(xué)平衡有關(guān)計算、化學(xué)平衡常數(shù)、影響化學(xué)平衡的因素、熱化學(xué)方程式書寫、電極反應(yīng)式的書寫等，是對知識的綜合運(yùn)用，難度中等．