Question

5．利用所學(xué)化學(xué)知識回答問題

Ⅰ、甲醇是重要的化工原料，又可稱為燃料．工業(yè)上利用合成氣（主要成分為CO、CO₂和H₂）在催化劑的作用下合成甲醇，發(fā)生的主反應(yīng)如下：
①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=？
②CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-58kJ/mol
③CO₂（g）+H₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41kJ/mol
回答下列問題：
（1）已知反應(yīng)①中的相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學(xué)鍵	H-H	C-O	C $\frac{\underline{\;←\;}}{\;}$O	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1076	465	x

則x=413kJ/mol．
（2）若T℃時將6molCO₂和8molH₂充入2L密閉容器中發(fā)生反應(yīng)②，測得H₂的物質(zhì)的量隨時間變化如圖1中狀態(tài)Ⅰ（圖1中實線）所示．圖1中數(shù)據(jù)A（1，6）代表在1min時H₂的物質(zhì)的量是6mol．
①T℃時，狀態(tài)Ⅰ條件下，平衡常數(shù)K=0.5；
②其他條件不變，僅改變溫度時，測得H₂的物質(zhì)的量隨時間變化如圖中狀態(tài)Ⅲ所示，則狀態(tài)Ⅲ對應(yīng)的溫度＞（填“＞”“＜”或“=”）T℃；
③一定溫度下，此反應(yīng)在恒容容器中進行，能判斷該反應(yīng)達到化學(xué)平衡狀態(tài)依據(jù)的是bc．
a． 2個C=O斷裂的同時有2個H-O生成     b．容器中混合氣體平均摩爾質(zhì)量不變
c．v逆（H₂）=3v正（CH₃OH）               d．甲醇和水蒸氣的體積比保持不變
Ⅱ、二氧化碳的回收利用是環(huán)保領(lǐng)域研究的熱點課題．
（1）CO₂經(jīng)過催化氫化合成低碳烯烴．在2L恒容密閉容器中充入2moI CO₂和nmol H₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：2C0₂（g）+6H₂（g）?CH₂=CH₂（g）+4H₂0（g），△H=-128kJ/mol．CO₂的轉(zhuǎn)化率與溫度、投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]的關(guān)系如圖2所示．
①X₂＞  X₁（填“＞”、“＜”或“=”）
②在500K時，若B點的投料比為3.5，且從反應(yīng)開始到B點需要10min，則v（H₂）=0.225mol/（L．min）．
（2）以稀硫酸為電解質(zhì)溶液，利用太陽能將CO₂轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，工作原理圖3如下，則左側(cè)產(chǎn)生乙烯的電極反應(yīng)式為2CO₂+12e^-+12H⁺=CH₂=CH₂+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)蓋斯定律和化學(xué)反應(yīng)焓變=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和計算；
（2）①由圖可知，T℃時平衡時氫氣的物質(zhì)的量為2mol，參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量為8mol-2mol=6mol，氫氣的濃度變化量為$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，據(jù)此結(jié)合三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
②由圖可知，曲線Ⅲ到達平衡的時間縮短，反應(yīng)速率加快，平衡時氫氣的物質(zhì)的量增大，平衡向逆反應(yīng)移動，據(jù)此判斷；
③達到反應(yīng)平衡狀態(tài)時，在一定條件下的可逆反應(yīng)里，正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)混合物中各組成成分的百分含量保持不變，該反應(yīng)就達到平衡狀態(tài)，據(jù)此分析解答．
Ⅱ、（1）①相同條件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越大，據(jù)此判斷X₁、X₂的相對大��；
②若B點的投料比為3.5，且從反應(yīng)開始到B點需要10min，n（CO₂）=2mol，則n（H₂）=10mol，B點二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為75%，則參加反應(yīng)的n（CO₂）=2mol×75%=1.5mol，根據(jù)二氧化碳和氫氣之間的關(guān)系式知，參加反應(yīng)的n（H₂）=3n（CO₂）=4.5mol，則v（H₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$；
（2）陰極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成乙烯和水．

解答 解：（1）依據(jù)蓋斯定律計算①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=②-③=-58kJ/mol-41kJ/mol=-99kJ/mol
焓變=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和，則反應(yīng)①的△H=-99kJ/mol=1076kJ/mol+2×436kJ/mol-3×xkJ/mol-343kJ/mol-465kJ/mol，
解得：x=413kJ/mol，
故答案為：413kJ/mol；
（2）①由圖可知，T℃時平衡時氫氣的物質(zhì)的量為2mol，參加反應(yīng)的氫氣的物質(zhì)的量為8mol-2mol=6mol，氫氣的濃度變化量為$\frac{6mol}{2L}$=3mol/L，則：
                      CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol/L）：3             4                0                   0   
變化（mol/L）：1             3                 1                  1
平衡（mol/L）：2             1                 1                  1
故該溫度下平衡常數(shù)k=$\frac{c（C{H}_{3}OH）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{1×1}{2×{1}^{3}}$=0.5，
故答案為：0.5
②由圖可知，曲線Ⅲ到達平衡的時間縮短，反應(yīng)速率加快，平衡時氫氣的物質(zhì)的量增大，平衡向逆反應(yīng)移動，則條件改變是升溫，
故答案為：＞；
③a.2個C=O斷裂的同時有2個H-O生成，都是指正反應(yīng)方向，所以不能判斷達到了平衡狀態(tài)，故a錯誤；
b．容器中混合氣體平均摩爾質(zhì)量不變，則正逆反應(yīng)速率相等，表明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故b正確；
c．v逆（H₂）=3v正（CH₃OH），則正逆反應(yīng)速率相等，表明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，故c正確；
d．甲醇和水蒸氣都是生成物，體積比始終保持不變，所以不能判斷達到了平衡狀態(tài)，故d錯誤；
故答案為：b c；
Ⅱ、（1）①相同條件下，投料比[X=$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$]越大，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率越大，根據(jù)圖知，相同溫度下X₁的轉(zhuǎn)化率大于X₂，所以X₁＞X₂，
故答案為：＞；
②若B點的投料比為3.5，且從反應(yīng)開始到B點需要10min，n（CO₂）=2mol，則n（H₂）=7mol，B點二氧化碳的轉(zhuǎn)化率為75%，則參加反應(yīng)的n（CO₂）=2mol×75%=1.5mol，根據(jù)二氧化碳和氫氣之間的關(guān)系式知，參加反應(yīng)的n（H₂）=3n（CO₂）=4.5mol，則v（H₂）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{4.5mol}{2L}}{10min}$=0.225mol/（L．min），
故答案為：0.225mol/（L．min）；
（2）陰極上二氧化碳得電子和氫離子反應(yīng)生成乙烯和水．電極反應(yīng)式為：2CO₂+12e^-+12H⁺=CH₂=CH₂+4H₂O，
故答案為：2CO₂+12e^-+12H⁺=CH₂=CH₂+4H₂O．

點評 本題考查物質(zhì)的量濃度隨時間變化曲線、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)速率的有關(guān)計算、影響化學(xué)平衡的因素等，難度中等，注意分析曲線的變化特點．