Question

以CO₂为碳源制取低碳有机物成为国际研究焦点，下面为CO₂加氢制取低碳醇的热力学数据：
反应Ⅰ：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ?mol^-1
反应Ⅱ：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=-173.6kJ?mol^-1

（1）写出由CH₃OH（g）合成CH₃CH₂OH（g）的热化学反应方程式：

 

．
（2）对反应Ⅰ，在一定温度下反应达到平衡的标志是

 

（选填编号）．
a．反应物不再转化为生成物   b．平衡常数K不再增大
c．CO₂的转化率不再增大      d．混合气体的平均相对分子质量不再改变
（3）在密闭容器中，反应Ⅰ在一定条件达到平衡后，其它条件恒定，能提高CO₂转化率的措施是

 

（选填编号）．
A、降低温度      B、补充CO₂        C、加入催化剂       D、移去甲醇
（4）研究员以生产乙醇为研究对象，在密闭容器中，按H₂与CO₂的物质的量之比为3：1进行投料，在5MPa下测得不同温度下平衡体系中各种物质的体积分数（y%）如图1所示．表示CH₃CH₂OH组分的曲线是

 

；图2中曲线Ⅱ和Ⅲ的交点a对应的体积分数y_a=

 

%（计算结果保留三位有效数字）．
（5）一种以甲醇作燃料的电池示意图如图2．写出该电池放电时负极的电极反应式：

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素,化学平衡状态的判断,化学平衡的计算

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）从化学平衡的定义来看，判断一个可逆反应是否达到平衡有两个标志：一是正逆反应速率相等，二是各组分的浓度不再变化；平衡常数随温度变化，依据平衡常数概念结合平衡常数变化和平衡移动原理分析平衡发生移动的方向；根据外界条件对反应速率的影响分析判断速率变化，提高物质转化率的方法是增加另一种物质，分离出生成物，改变温度、压强平衡正向进行；
（3）根据外界条件对反应速率的影响分析判断速率变化；提高物质转化率的方法是增加另一种物质，分离出生成物，改变温度、压强使平衡正向移动；
（4）反应为放热反应，升高温度平衡向吸热反应方向移动，即向逆反应移动，平衡时CO₂与H₂的含量增大，开始n（H₂）/n（CO₂）=3，H₂与CO₂反应按3：1进行，平衡时H₂的含量是CO₂的含量三倍，平衡时H₂的含量比二氧化碳高；平衡时CH₃CH₂OH与H₂O的含量降低，CH₃CH₂OH与H₂O按1：3反应，平衡时H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍，平衡时H₂O的含量高；a点为II和III的交点，设此时II C₂H₅OH体积为V，那么III H₂也为V，根据方程式中的关系求出CO₂和H₂O的体积，再求体积分数y_a；
（5）甲醇燃料在原电池中做负极失电子发生氧化反应．

解答： 解：（1）已知：反应I：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0 kJ?mol^-1
反应II：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃CH₂OH（g）+3H₂O（g）△H=-173.6kJ?mol^-1
根据盖斯定律Ⅱ-I×2得：2CH₃OH（g）=CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）；△H=-75.6 kJ?mol^-1；
故答案为：2CH₃OH（g）=CH₃CH₂OH（g）+H₂O（g）△H=-75.6 kJ?mol^-1；
（2）反应Ⅰ，CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ?mol^-1，反应是气体体积减小的放热反应，在一定温度下反应达到平衡的标志是正逆反应速率相同；在一定温度下反应达到平衡的标志是：
a．反应达到平衡状态是正逆反应仍在进行，所以不存在反应物不再转化为生成物的状态，故a错误；
b．平衡常数K只与温度有关，与是否达到平衡状态无关，故b错误；
c．CO₂的转化率不再增大，即反应达到限度，是平衡状态，故c正确；
d．反应后气体的物质的量减少，质量不变，所以混合气体的平均相对分子质量逐渐增大，当混合气体的平均相对分子质量不再改变时即是平衡状态，故d正确；
故答案为：cd；
（3）其他条件恒定，如果想提高CO₂的反应速率，可以采取的反应条件是：
a、降低温度，反应速率减小，平衡正向进行，二氧化碳转化率增大，故a正确；
b、补充CO₂，反应物的浓度增大，反应速率加快，二氧化碳转化率减小，故b错误；
c、加入催化剂 改变反应速率不改变化学平衡，故c错误；
d、移去甲醇，生成物浓度减小，速率降低，平衡向正反应移动，二氧化碳转化率增大，故d正确；
故答案为：ad；
（4）该反应为放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，平衡时CO₂与H₂的含量增大，CH₃CH₂OH与H₂O的含量降低．
开始n（H₂）/n（CO₂）=3，H₂与CO₂反应按3：1进行，平衡时H₂的含量是CO₂的含量三倍；
CH₃CH₂OH与H₂O按1：3反应，平衡时H₂O的含量是CH₃CH₂OH含量的三倍．
曲线Ⅰ、曲线Ⅱ随温度升高含量降低，且曲线Ⅱ的含量高，所以曲线Ⅰ表示CH₃CH₂OH、曲线Ⅱ表示H₂O．
a点为II和III的交点，设此时II C₂H₅OH体积为V，那么III H₂也为V，可知为CO₂ 为

1

3

V，H₂O为C₂H₅OH的三倍，则为3V，
所以a对应的体积分数y_a=

V

V+V+ 1 3 V+3V

×100%=18.8%；
故答案为：Ⅰ；18.8%；
（5）依据图示分析，甲醇做负极失电子发生氧化反应，在熔融盐做电解质中发生的电极反应为：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O；
故答案为：CH₃OH+3O^2--6e^-=CO₂+2H₂O．

点评：本题考查了热化学方程式和盖斯定律计算，化学平衡影响因素分析判断，图象理解应用，原电池原理的分析应用，掌握基础是关键，题目难度中等．