Question

17．科学研究表明，当前应用最广泛的化石燃料到本世纪中叶将枯竭，解决此危机的唯一途径是实现燃料和燃烧产物之间的良性循环（图1）：

（1）一种常用的方法是在230℃、有催化剂条件下将CO₂和H₂转化为甲醇蒸汽和水蒸气．图2是生成1mol CH₃OH时的能量变化示意图．
已知破坏1mol不同共价键的能量（kJ）分别是：

C-H	C-O	C=O	H-H	H-O
413.4	351	745	436	462.8

已知E₂=189.8kJ•mol^-1，则E₁=8.2kJ•mol^-1．
（2）将不同量的CO（g）和H₂O（g）分别通入到体积为2L的恒容密闭容器中进行如下反应：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如下三组数据：

实验	温度/℃	起始量		达到平衡
		CO/mol	H2O/mol	H2/mol	CO转化率	所需时间/min
1	650	4	2	1.6		6
2	900	2	1		$\frac{1}{3}$	3
3	900	a	b	c		t

①该反应的正反应为放热（填“放热”或“吸热”）．
②实验2条件下的平衡常数K=1．
③实验3中，若平衡时H₂O的转化率为$\frac{1}{3}$，则a/b=0.5．
④实验4，若900℃时，在容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂各1mol，则此时反应达到平衡状态
（填“向正反应方向进行”，“向逆反应方向进行”，“达到平衡状态”）．
（3）捕捉CO₂可以利用Na₂CO₃溶液．先用Na₂CO₃溶液吸收CO₂生成NaHCO₃，然后使NaHCO₃分解，Na₂CO₃可以进行循环使用．将100mL 0.1mol/LNa₂CO₃的溶液中通入112mL（已换算为标准状况）的CO₂，溶液中没有晶体析出，则：
①反应后溶液中的各离子浓度由大到小的顺序是c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．
②反应后的溶液可以作“缓冲液”（当往溶液中加入一定量的酸和碱时，有阻碍溶液pH变化的作用），请解释其原理反应后的溶液存在HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，加入少量的酸，平衡逆向移动，溶液pH变化不大；加入少量的碱平衡正向移动，溶液pH变化也不大，故该溶液可以作“缓冲液”．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳与氢气反应生成甲醇的反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），根据反应热等于反应物总键能减去生成物的总键能结合图中：△H=E₁-E₂计算；
（2）①比较650℃和900℃的平衡常数分析温度升高平衡移动方向判断正反应为吸放热；                  
②根据CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）2              1               0              0
转化量（mol）$\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$              $\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$               
平衡量（mol）$\frac{4}{3}$             $\frac{1}{3}$              $\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$               
根据平衡常数K=$\frac{\frac{2}{3}×\frac{2}{3}}{\frac{4}{3}×\frac{1}{3}}$计算；
③实验3中，
                  CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）a            b                0            0
转化量（mol）c           c                 c             c
平衡量（mol）a-c       b-c                 c           c
若平衡时H₂O的转化率为$\frac{c}{b}$=$\frac{1}{3}$，则b=3c，再根据K=1分析计算；
④根据Qc与K的大小关系判断；
（3）①将100mL0.1mol/LNa₂CO₃的溶液溶质的物质的量为：0.1L×0.1mol/L=0.01mol，112mLCO₂的物质的量为：0.005mol，发生反应Na₂CO₃+CO₂+H₂O=2NaHCO₃，二者反应碳酸钠过量为0.005mol，同时生成0.01mol的NaHCO₃，碳酸根离子的水解程度大于碳酸氢根离子，由此分析各离子的浓度；
②反应后的溶液存在HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，加入少量的酸，平衡逆向移动，溶液pH变化不大；加入少量的碱平衡正向移动，溶液pH变化也不大，故该溶液可以作“缓冲液”．

解答 解：（1）二氧化碳与氢气反应生成甲醇的反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），因为反应热等于反应物总键能减去生成物的总键能，则△H=（2×745+3×436-2×462.8-3×413.4-351-462.8）kJ•mol^-1=-181.6kJ•mol^-1，由图可知：△H=E₁-E₂，所以E₁=E₂+△H=189.8kJ•mol^-1-181.6kJ•mol^-1=8.2
kJ•mol^-1，故答案为：8.2；
（2）①650℃根据方程式可知
                     CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol） 4             2                0            0
转化量（mol）1.6          1.6              1.6          1.6
平衡量（mol）2.4          0.4               1.6          1.6
因为两的计量数相等，所以反应前后体积不变，可以用物质的量代替浓度计算平衡常数，则该反应的平衡常数为K=$\frac{1.6×1.6}{2.4×0.4}$=$\frac{8}{3}$；
900℃根据方程式可知
                    CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）2              1               0              0
转化量（mol）$\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$              $\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$               
平衡量（mol）$\frac{4}{3}$             $\frac{1}{3}$              $\frac{2}{3}$             $\frac{2}{3}$               
此时平衡常数K=$\frac{\frac{2}{3}×\frac{2}{3}}{\frac{4}{3}×\frac{1}{3}}$=1，而$\frac{8}{3}$＞1，这说明升高温度平衡常数减小，因此升高温度平衡向逆反应方向进行，则该反应的正反应为放热反应，故答案为：放热；
②根据以上分析可知实验2条件下的平衡常数K=1，故答案为：1；
③实验3中，
                  CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol）a            b                0            0
转化量（mol）c           c                 c             c
平衡量（mol）a-c       b-c                 c           c
若平衡时H₂O的转化率为$\frac{c}{b}$=$\frac{1}{3}$，则b=3c，
又因为K=$\frac{c×c}{（a-c）（b-c）}$=1，解得b=2a，所以a/b=0.5，故答案为：0.5；
④实验4，若900℃时，在容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂各1mol，所以Qc=$\frac{1×1}{1×1}$=1=K，则处于平衡状态，故答案为：达到平衡状态；
（3）①将100mL0.1mol/LNa₂CO₃的溶液溶质的物质的量为：0.1L×0.1mol/L=0.01mol，112mLCO₂的物质的量为：0.005mol，发生反应Na₂CO₃+CO₂+H₂O=2NaHCO₃，二者反应碳酸钠过量为0.005mol，同时生成0.01mol的NaHCO₃，碳酸根离子的水解程度大于碳酸氢根离子，所以离子浓度大小为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故答案为：c（Na⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）；
②反应后的溶液存在HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，加入少量的酸，平衡逆向移动，溶液pH变化不大；加入少量的碱平衡正向移动，溶液pH变化也不大，故该溶液可以作“缓冲液”，故答案为：反应后的溶液存在HCO₃^-?CO₃^2-+H⁺，加入少量的酸，平衡逆向移动，溶液pH变化不大；加入少量的碱平衡正向移动，溶液pH变化也不大，故该溶液可以作“缓冲液”．

点评 本题主要考查反应热、平衡常数计算、外界条件对平衡状态的影响以及溶液中离子浓度大小比较等，难度不大，注意化学平衡计算三组量法的应用．