Question

3．減少工業(yè)和生活廢棄物的排放并合理開發(fā)利用，近年來受到了人們的普遍關(guān)注．
I．利用工業(yè)廢水中的CO₂制取甲醇，反應(yīng)為CO₂+3H₂$\stackrel{催化劑}{?}$CH₃OH+H₂O．
（1）已知下列反應(yīng)的能量變化如圖1所示：

由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式為CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．
II．利用工業(yè)廢氣CO合成甲醇，反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
（2）一定條件下，在1L密閉容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則8min內(nèi)H₂的平均反應(yīng)速率為0.075mol/（L•min）．
（3）若反應(yīng)原料是來自煤的氣化，已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的熱量．寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol．
（4）t℃時(shí)，能發(fā)生如下反應(yīng)：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．已知反應(yīng)平衡常數(shù)為400，此溫度下，在1L密閉容器中加入-定量的甲醇，反應(yīng)到某時(shí)刻測得各組分的物質(zhì)的量濃度如表：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c（mol•L-1）	0.46	1.0	1.0

此刻正、逆反應(yīng)速率的關(guān)系是：v（正）＞v（逆）（填“＞”“＜”或“=”），平衡時(shí)c（CH₃OCH3）的物質(zhì)的量濃度是1.2mol/L．
（5）已知反應(yīng) 3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），CO的平衡轉(zhuǎn)化率a（CO）與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖2所示．圖中X表示溫度（填“溫度”或“壓強(qiáng)”），判斷的理由是圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小；如果X表示壓強(qiáng)，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件．．
（6）強(qiáng)酸性電解質(zhì)溶液中，用惰性電極電解CO₂可轉(zhuǎn)化為多種燃料，其原理如圖3所示．b為電源的正極．電解時(shí)，生成乙烯的電極反應(yīng)式為2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳和氫氣制備甲醇的化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），根據(jù)圖1和圖2的能量變化，寫出熱化學(xué)方程式，所求反應(yīng)可由此推導(dǎo)，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算所求反應(yīng)的焓變；
（2）反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），一定條件下，在1L密閉容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后達(dá)到平衡，反應(yīng)經(jīng)歷的時(shí)間為△t=8min，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則CO的反應(yīng)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為△n=0.6mol×50%=0.3mol，容器的體積為V=1L，則CO的化學(xué)反應(yīng)平均速率為$\overline{r}$（CO）=$\frac{△n}{V△t}$，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，據(jù)此計(jì)算H₂的化學(xué)反應(yīng)平均速率；
（3）若反應(yīng)原料是來自煤的氣化，已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，因此反應(yīng)物為C（s）和H₂O（g），生成物為H₂（g）和CO（g），每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的熱量，計(jì)算反應(yīng)的焓變，由此寫出反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
（4）t℃時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），已知反應(yīng)平衡常數(shù)為400，此溫度下，在1L密閉容器中加入一定量的甲醇，根據(jù)反應(yīng)商J與平衡常數(shù)K的關(guān)系，判斷此時(shí)化學(xué)反應(yīng)的方向，據(jù)此分析正逆反應(yīng)的速率大小，溫度不變，平衡常數(shù)不變，據(jù)此計(jì)算平衡時(shí)的c（CH₃OCH₃）；
（5）反應(yīng)為：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率升高，據(jù)此分析X的意義；
（6）強(qiáng)酸性電解質(zhì)溶液中，用惰性電極電解CO₂，根據(jù)裝置的原理圖，b連接的電極處產(chǎn)生O₂，均是由-2價(jià)的O失電子而來，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，據(jù)此判斷b連接的電極的性質(zhì)，a連接的電極處由CO₂生成乙烯，此過程為得到電子的反應(yīng)，H⁺通過質(zhì)子交換膜到達(dá)a連接的極處參與電極反應(yīng)，據(jù)此寫出a連接的電極的電極反應(yīng)式．

解答 解：（1）二氧化碳和氫氣制備甲醇的化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），根據(jù)圖1和圖2的能量變化，可知：
①CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₁=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₂=-91kJ/mol，
該反應(yīng)可由②-①得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)椤鱄=△H₂-△H₁=-91-（-41）=-50kJ/mol，
則由二氧化碳和氫氣制備甲醇的熱化學(xué)方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol；
（2）反應(yīng)為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），一定條件下，在1L密閉容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后達(dá)到平衡，反應(yīng)經(jīng)歷的時(shí)間為△t=8min，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則CO的反應(yīng)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)的量為△n=0.6mol×50%=0.3mol，容器的體積為V=1L，則CO的化學(xué)反應(yīng)平均速率為$\overline{r}$（CO）=$\frac{△n}{V△t}$=$\frac{0.3mol}{1L×8min}$=$\frac{0.3}{8}$mol/（L•min），根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率之比等于計(jì)量數(shù)之比，則H₂的化學(xué)反應(yīng)平均速率為$\overline{r}（{H}_{2}）$=$\frac{0.3}{8}×$2=$\frac{0.3}{4}$mol/（L•min）=0.075mol/（L•min），
故答案為：0.075mol/（L•min）；
（3）若反應(yīng)原料是來自煤的氣化，已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，因此反應(yīng)物為C（s）和H₂O（g），生成物為H₂（g）和CO（g），每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的熱量，則以1molH₂（g）反應(yīng)，反應(yīng)的焓變?yōu)椤鱄=+131.3kJ/mol，所以該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol，
故答案為：C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol；
（4）t℃時(shí)，發(fā)生反應(yīng)：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），已知反應(yīng)平衡常數(shù)為400，此溫度下，在1L密閉容器中加入一定量的甲醇，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，此時(shí)的反應(yīng)商J=$\frac{1.0mol/L×1.0mol/L}{（0.46mol/L）^{2}}$=$\frac{1}{0.4{6}^{2}}$=4.72＜K，則此時(shí)化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，因此速率大小關(guān)系為：v（正）＞v（逆），
溫度不變，平衡常數(shù)不變，設(shè)平衡時(shí)CH₃OH轉(zhuǎn)化了2x，將其轉(zhuǎn)化為等效平衡，則平衡時(shí)各組分的濃度為c（CH₃OH）=0.46-2x，c（CH₃OCH₃）=c（H₂O）=1+2x，則有K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$=$\frac{（1+x）（1+x）}{（0.46-2x）^{2}}$=400，可得x=0.2，因此平衡時(shí)c（CH₃OCH₃）=1+2x=1.2mol/L，
故答案為：＞；1.2mol/L；
（5）反應(yīng)為：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反應(yīng)為氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率升高，對(duì)于X，隨著X的升高，CO的轉(zhuǎn)化率降低，可見X不表示壓強(qiáng)，應(yīng)表示溫度，判斷的理由是：圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減��；如果X表示壓強(qiáng)，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件，
故答案為：溫度；圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減��；如果X表示壓強(qiáng)，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件；
（6）強(qiáng)酸性電解質(zhì)溶液中，用惰性電極電解CO₂，根據(jù)裝置的原理圖，b連接的電極處產(chǎn)生O₂，均是由-2價(jià)的O失電子而來，發(fā)生的是氧化反應(yīng)，因此b連接的電極為電解池的陽極，則b為電源的正極，
a連接的電極處由CO₂生成乙烯，此過程為得到電子的反應(yīng)，H⁺通過質(zhì)子交換膜到達(dá)a連接的極處參與電極反應(yīng)，則a連接的電極的電極反應(yīng)式為：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O，此電極產(chǎn)生乙烯，
故答案為：正；2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

點(diǎn)評(píng) 本題主要考察化學(xué)原理部分知識(shí)，包含熱化學(xué)方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡的移動(dòng)，反應(yīng)商的計(jì)算，化學(xué)反應(yīng)方向的判斷，平衡常數(shù)的應(yīng)用，電化學(xué)知識(shí)，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，考察綜合能力，題目難度中等．