Question

2．隨著能源與環(huán)境問題越來越被人們關注，碳一化學成為研究的熱點．“碳一化學”即以單質碳及CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等含一個碳原子的物質為原料合成工業(yè)產品的化學工藝．
（1）將CO₂轉化成有機物可有效實現碳循環(huán)，CO₂轉化成有機物的例子有很多，如：
a．6CO₂+6H₂O$\stackrel{光合作用}{→}$C₆H₁₂O₆+6O₂
b．CO₂+3H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄$→_{△}^{催化劑}$CH₃COOH
d．2CO₂+6H₂$→_{△}^{催化劑}$CH₂═CH₂+4H₂O
在以上屬于人工轉化的反應中，原子利用率最高的是c（填序號）．
（2）CO可用于合成甲醇．在壓強為0.1MPa條件下，在體積為b L的密閉容器中充入a mol CO和2a mol H₂，在催化劑作用下合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），平衡時CO的轉化率與溫度、壓強的關系如圖．
①該反應屬于放熱反應（填“吸熱”或“放熱”）．若一個可逆反應的平衡常數K值很大，對此反應的說法正確的是c（填序號）．
a．反應使用催化劑意義不大
b．該反應發(fā)生將在很短時間內完成
c．該反應達到平衡時至少有一種反應物百分含量很小
d．該反應一定是放熱反應
②100℃時，該反應的平衡常數K=$\frac{^{2}}{{a}^{2}}$（用含a、b的代數式表示）．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀的新型燃料，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^-1
c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ•mol^-1
總反應：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.4kJ•mol^-1．
②對于反應b，在溫度和容積不變的條件下，能說明該反應已達到平衡狀態(tài)的是cd（填字母）．
a．n（CH₃OH）=n（CH₃OCH₃）=n（H₂O）
b．容器內壓強保持不變
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．

Answer 1

分析 （1）原子利用率最高的是把所有的反應物全部轉化為產物；
（2）①由圖可知，壓強一定時，隨溫度升高，CO的轉化率降低，故升高溫度平衡向逆反應移動，據此判斷；
②利用三段式計算出平衡時各組分的物質的量，進而求出平衡時各組分的濃度，代入平衡常數表達式計算；
（3）①利用熱化學方程式和蓋斯定律計算所需熱化學方程式，熱化學方程式2a+b+c計算得到；
②當化學反應達到平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再發(fā)生變化，由此衍生的一些物理性不變，
a、是某一時刻的特殊值，不能說明反應已達到平衡；
b、任意時刻該反應的壓強都不變；不能說明反應已達到平衡；某一物質的濃度保持不變說明達到平衡；
c、濃度不變時為平衡的標志；
d、消耗速率得出CH₃OH的正、逆反應速率相等，說明反應達到平衡．

解答 解：（1）原子利用率最高的是把所有的反應物全部轉化為產物，原子利用率100%；
a、CO₂轉化為C₆H₁₂O₆之外還有氧氣產生，故a錯誤；
b、CO₂轉化為CH₃OH有水產生，故b錯誤；
c、CO₂和CH₄反應全部轉化為劑CH₃COOH，故c正確；
d、CO₂和H₂反應生成乙烯之外還有水的生成，故d錯誤；
故答案為：c；
（2）①由圖可知，壓強一定時，隨溫度升高，CO的轉化率降低，故升高溫度平衡向逆反應移動，則正反應為放熱反應；
a．可逆反應的平衡常數很大，說明反應進行的程度很大，不能說明該反應在通常條件下一定可以發(fā)生，該反應可能需要催化劑才可以進行，故a錯誤；
b．可逆反應的平衡常數很大，說明反應進行的程度很大，不能說明該條件下反應速率很快，故b錯誤；
c．可逆反應的平衡常數很大，說明反應進行的程度很大，反應達平衡時至少有一種反應物的百分含量很小，故c正確；
d．可逆反應的平衡常數很大，說明反應進行的程度很大，不能說明該反應是吸熱還是放熱，故d錯誤，
故答案為：放熱；c；
②100℃，平衡時CO的轉化率為0.5，所以參加反應的CO的物質的量為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）$\frac{0.5a}$    $\frac{a}$         $\frac{0.5a}$
100℃時該反應的平衡常數k=$\frac{\frac{0.5amol}{bL}}{\frac{0.5amol}{bL}（\frac{amol}{bL}）^{2}}$=$\frac{^{2}}{{a}^{2}}$；
故答案為：$\frac{^{2}}{{a}^{2}}$；
（3）①a、2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
b、2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
c、CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，通過a×2+b+c可得所求熱反應方程式，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△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．達到平衡時，物質的量不變，不是相等，故a錯誤；
b．該反應是一個反應前后氣體體積不變的反應，無論該反應是否達到平衡狀態(tài)，壓強始終不變，所以不能根據平衡體系的總壓判斷是否達到平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．平衡時各物質的濃度不變，故c正確；
d．CH₃OH的消耗速率與CH₃OCH₃的消耗速率之比為2：1，符合正逆反應速率相等，故d正確；
故選cd．

點評 本題考查化學平衡圖象、化學平衡有關計算、化學平衡常數、影響化學平衡的因素、熱化學方程式書寫等，是對知識的綜合運用，掌握基礎是關鍵，題目難度中等．