Question

【题目】合成氨工业涉及固体燃料的气化，需要研究CO2与CO之间的转化。为了弄清其规律，让一定量的CO2与足量碳在体积可变的密闭容器中反应：C(s)＋CO2(g) 2CO(g) H，测得压强、温度对CO、CO2的平衡组成的影响如图所示，回答下列问题：

（1）p1、p2、p3的大小关系是________，图中a、b、c三点对应的平衡常数大小关系是______________________。

（2）一定条件下，在CO2与足量碳反应所得平衡体系中加入H2和适当催化剂，有下列反应发生：反应1：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g) H1= a kJ/mol

反应2：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) H2= b kJ/mol

① 则二氧化碳与氢气反应转化为甲烷和水蒸气的热化学方程式是____________。

② 已知298 K时相关化学键键能数据为：

化学键	H—H	O—H	C—H
E/（kJ·mol-1）	436	465	413	1076

则根据键能计算，H1=________________。反应1自发进行的条件是___________。（填“较高温度”、“较低温度”、“任意温度”）

（3）一定条件下，CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) ΔH3，向固定容积为1 L的密闭容器中充入2 mol CO2和6 mol H2，一段时间后达到平衡状态，测得CH3OH(g)的物质的量为1mol，则此条件下该反应的化学平衡常数K =_________（用分数表示）；若开始时充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)达到相同平衡状态时，CH3OH的转化率为_______；若平衡后再充入4 mol的N2，则c(CO2)和原平衡比较是_________。（填“增大”、“减小”、“不变”）

（4）如图是甲醇燃料电池工作的示意图，其中A、B、D均为石墨电极，C为铜电极。工作一段时间后，断开K，此时A、B两极上产生的气体体积相同。

①甲中负极的电极反式为_______________，丙中C极的电极反应式为___________。

② 乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为__________________。

Answer 1

【答案】p1<p2<p3 Ka=Kb<Kc CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1 -198 kJ·mol-1 较低温度 50% 不变 CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O Cu-2e-=Cu2+ 2.24L

【解析】

（1）根据压强对平衡移动的影响分析压强的大小关系；平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，再结合图像分析温度对平衡移动的影响，从而分析平衡常数的大小关系；

（2）①根据已知热化学方程式，并结合盖斯定律可得目标热化学方程式；

②H1=反应物断键吸收的能量-生成物成键放出的能量；先反应1的H<0，S<0，若H-TS<0，反应1能自发进行，从而判断应为低温条件反应可自发进行；

（3）根据已知信息列出三段式计算平衡常数；若开始时充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)达到相同平衡状态，则平衡时CH3OH的物质的量为1mol，从而计算甲醇的转化率；容器容积固定不变，充入无关气体，反应体系中各物质的浓度不变，平衡不移动；

（4）甲醇燃料电池为原电池，通入甲醇的一极为负极，通入氧气的一极为正极，乙、丙为电解池，乙中A为阳极，B为阴极，C为阳极，D为阴极，

①甲醇燃料电池为原电池，甲醇在负极发生氧化反应；丙中C极为阳极，C为铜电极，则铜在阳极失电子发生氧化反应；

②乙中为惰性电极电解100mL 1mol/LCuSO4溶液，已知A、B两极上产生的气体体积相同，由分析可知，乙中A为阳极，产物为氧气，B为阴极，铜离子先放电，然后氢离子放电得氢气，设生成气体物质的量为x，再根据阴阳两极转移电子数相同进行计算。

（1）对于反应C(s)＋CO2(g) 2CO(g)，温度一定时，增大压强平衡逆向移动，CO的百分含量减小，则p1<p2<p3；平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，则Ka=Kb，由图像可知，升高温度，平衡正向移动，则Kb<Kc；

故答案为：p1<p2<p3；Ka=Kb<Kc；

（2）① 根据已知热化学方程式：反应1：CO(g)＋3H2(g) CH4(g)＋H2O(g) H1= a kJ/mol；反应2：CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g) H2= b kJ/mol；结合盖斯定律可得，反应1-反应2可得目标方程式CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1；

故答案为：CO2(g)＋4H2(g) CH4(g)＋2H2O(g) H=(a-b) kJ·mol-1；

②H1=反应物断键吸收的能量-生成物成键放出的能量=（1076+3×436-4×413-2×465）kJ·mol-1=-198 kJ·mol-1；反应1的H<0，S<0，若H-TS<0，反应1能自发进行，则应为低温条件；

故答案为：-198 kJ·mol-1；较低温度；

（3）根据已知信息，可列出三段式：

CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)

开始（mol/L） 2 6 0 0

变化（mol/L） 1 3 1 1

平衡（mol/L） 1 3 1 1

则平衡常数为；

若开始时充入2 mol CH3OH(g) 和2 mol H2O(g)达到相同平衡状态，则平衡时CH3OH的物质的量为1mol，则CH3OH的转化率为；

容器容积固定不变，则平衡后再充入4 mol的N2，反应体系中各物质的浓度不变，则平衡不移动，则c(CO2)和原平衡比较不变；

故答案为：；50%；不变；

（4）甲醇燃料电池为原电池，通入甲醇的一极为负极，通入氧气的一极为正极，乙、丙为电解池，乙中A为阳极，B为阴极，C为阳极，D为阴极，

①甲醇燃料电池为原电池，甲醇在负极发生氧化反应，电极反应式为CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O；丙中C极为阳极，C为铜电极，则铜在阳极失电子发生氧化反应，则电极反应式为Cu-2e-=Cu2+；

故答案为：CH3OH-6e- +8OH- = CO32-↑+6H2O；Cu-2e-=Cu2+；

②乙中为惰性电极电解100mL 1mol/LCuSO4溶液，已知A、B两极上产生的气体体积相同，由分析可知，乙中A为阳极，产物为氧气，B为阴极，铜离子先放电，然后氢离子放电得氢气，设生成气体物质的量为x，

A电极反应式为：

2H2O-4e-=O2↑+4H+

4x x

B电极反应式为：

Cu2++2e-=Cu； 2H++2e-=H2↑

0.1 0.2 2x x

根据得失电子守恒可得，0.2+2x=4x，解得x=0.1mol，则乙中A极析出的气体在标准状况下的体积为2.24L；

故答案为：2.24L。