Question

2．发展洁净煤技术、利用CO₂制备清洁能源等都是实现减碳排放的重要途径．
（1）将煤转化成水煤气的反应：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反应体系中加入催化剂（其他条件保持不变），此反应的△H不变（填“增大”、“减小”或“不变”），判断的理由是加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变．
（2）CO₂制备甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，测得CO₂（g） 和CH₃OH（g） 浓度随时间变化如图1所示．

①该反应化学平衡常数K的表达式是$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
②0～9min时间内，该反应的平均反应速率ν（H₂）=0.25mol/L•min．
③在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，此反应达平衡时放出的热量（Q）可能是c（填字母序号）kJ．
a.0＜Q＜29.5    b.29.5＜Q＜36.75    c.36.75＜Q＜49     d.49＜Q＜98
④在一定条件下，体系中CO₂的平衡转化率（α）与L和X的关系如图2所示，L和X 分别表示温度或压强．
i．X表示的物理量是温度．
ii．判断L₁与L₂的大小关系，并简述理由：L₁＞L₂．温度一定时，增大压强，CO₂平衡转化率增大．
（3）利用铜基催化剂光照条件下由CO₂和H₂O制备CH₃OH的装置示意图如图3所示，该装置工作时H⁺移向a极（填“a”或“b”），阴极的电极反应式是CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

Answer 1

分析 （1）催化剂改变反应速率不改变化学平衡；
（2）①平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率，依据反应速率之比等于化学方程式计量数之比得到氢气反应速率；
③反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，结合图象中二氧化碳转化率计算此时达到平衡放出的热量，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多；
④反应是气体体积减小的放热反应，升温平衡逆向进行，增大压强平衡正向进行，据此分析图象确定表示的物理量；
（3）电解池中，阳离子移向阴极，该装置工作时阴极发生还原反应，电极反应式为：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

解答 解：（1）将煤转化成水煤气的反应：C（s）+H₂O?CO₂（g）+H₂（g）可有效提高能源利用率，若在上述反应体系中加入催化剂（其他条件保持不变），催化剂改变反应速率不改变化学平衡，不改变反应焓变，此反应的△H不变，加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变
故答案为：不变；加入催化剂后反应物和生成物的总能量不变；
（2）①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），反应的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
②图象读取甲醇生成浓度，结合反应速率概念计算甲醇的反应速率=$\frac{0.75mol/L}{9min}$，反应速率之比等于化学方程式计量数之比，V（H₂）=3V（CH₃OH（g）=3×$\frac{0.75mol/L}{9min}$=0.25mol/L•min，
故答案为：0.25mol/L•min；
③CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，反应达到平衡状态消耗二氧化碳物质的量浓度=1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，物质的量为0.75mol，反应放出热量=49KJ/mol×0.75mol=36.75KJ，反应焓变是指1mol二氧化碳和3mol氢气完全反应放出的热量为49KJ，反应是可逆反应，在体积为1L的密闭容器中，充入1molCO₂和3molH₂，反应放热一定小于49KJ，在相同条件下，密闭容器的体积缩小至0.5L时，压强增大，平衡正向进行，反应放出热量会增多，大于36.75KJ，则36.75＜Q＜49，
故答案为：c；
④CO₂（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，
i．温度升高，平衡逆向进行，二氧化碳转化率减小，所以X为温度，L为压强，
故答案为：温度；
ii．温度一定压强增大平衡正向进行二氧化碳转化率增大，所以L₁＞L₂，
故答案为：L₁＞L₂，温度一定时，增大压强，CO₂平衡转化率增大
（3）电解池中，该装置工作时H⁺移向阴极（a），该装置工作时阴极发生还原反应，电极反应式为：CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O，
故答案为：a；CO₂+6H⁺+6e^-=CH₃OH+H₂O．

点评 本题考查了化学反应速率计算、平衡影响因素分析、平衡常数表示式、图象的理解应用，主要是化学平衡移动原理的分析判断，题目难度中等．