Question

Ⅰ．如何降低大气中CO₂的含量及有效利用CO₂，目前已引起各国普遍重视．
（1）工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，在500℃下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）           CH₃OH（g）+H₂O（g）．实验测得CO₂（g）和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图1所示．

①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=______；
②图2是改变温度时H₂的化学反应速率随时间变化的示意图，则该反应的正反应是______热（填“吸”或“放”）反应．
③该反应的平衡常数K为______（保留两位小数）．若提高温度到800℃进行，达平衡时，K值______（填“增大”、“减小”或“不变”），
④500℃达平衡时，CH₃OH的体积分数ω为______．
（2）在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离去除CO₂，还要求提供充足的O₂．某种电化学装置可实现如下转化：2CO₂=2CO+O₂，CO可用作燃料．已知该反应的阳极反应为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，则阴极反应式为______．
Ⅱ．工业上可利用煤的气化产物（CO和H₂）合成二甲醚（CH₃OCH₃），其三步反应如下：
①2H₂ （g）+CO（g）?CH₃OH （g）△H=-90.8kJ?mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ?mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂ （g）+H₂（g）△H=-41.3kJ?mol^-1
（3）总合成反应的热化学方程式为______．
（4）一定条件下的密闭容器中，上述总反应达到平衡时，要提高CO的转化率，可以采取的措施是______（填字母代号）．
A．高温高压          B．加入催化剂        C．减少CO₂的浓度   D．增加CO的浓度    E．分离出二甲醚
（5）已知反应②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）在某温度下的平衡常数K=400．此温度下，在密闭容器中加入CH₃OH，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c/mol?L-1	0.44	0.60	0.60

此时，v （正）______ v （逆） （填“＞”、“＜”或“=”）．

Answer 1

【答案】分析：Ⅰ（1）①、由图可知，平衡时二氧化碳的浓度变化量为1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，根据v=计算v（CO₂），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
②、由图2可知，正、逆反应速率都增大，为升高温度，且逆反应速率增大更多，反应向逆反应进行，据此判断；
③、利用三段式计算出反应混合物各组分的平衡时的浓度，代入平衡常数表达式计算；
升高温度平衡向吸热反应方向移动，结合热效应判断平衡移动方向，据此分析平衡常数的变化；
④、利用③中计算的平衡浓度，根据体积分数的定义计算CH₃OH的体积分数；
（2）电池总反应式减去阳极反应式可得阴极反应式；
Ⅱ（3）根据盖斯定律，由已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减，构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数进行相应的运算；
（4）要提高CO的转化率，应使平衡向正反应方向移动，根据平衡移动原理结合选项判断；
（5）计算此时的浓度商Qc，与化学平衡常数比较判断反应进行的方向，据此确定正、逆速率大小关系．
解答：解：（1）①、由图可知，10min到达平衡时二氧化碳的浓度变化量为1mol/L-0.25mol/L=0.75mol/L，所以v（CO₂）==0.075mol/（L?min），速率之比等于化学计量数之比，所以v（H₂）=3v（CO₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min），故答案为：0.225mol/（L?min）；
②、由图2可知，正、逆反应速率都增大，为升高温度，且逆反应速率增大更多，反应向逆反应进行，故正反应为放热反应，故答案为：放；
③、平衡时二氧化碳的浓度为0.25mol/L，则：
              CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol/L）：1       3              0          0
变化（mol/L）：0.75    2.25           0.75       0.75
平衡（mol/L）：0.25    0.75           0.75       0.75
故500℃平衡常数k==5.33，
该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，平衡常数k值减小，
故答案为：5.33，减小；
④、由③中计算可知，平衡时CH₃OH的体积分数ω==0.3，故答案为：0.3：；
（2）总反应式为2CO₂=2CO+O₂，阳极反应为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式，所以阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，
故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；
Ⅱ（3）由盖斯定律可知，通过①×2+②+③可得3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g），则△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol，
故总合成反应的热化学方程式为：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）△H=-246.4kJ/mol，
故答案为：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）△H=-246.4kJ/mol；
（4）A．由于反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，CO转化率减小，故A错误；
B．催化剂不影响平衡移动，CO转化率不变，故B错误；
C．减少CO₂的浓度，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，故C正确；
D．增加CO的浓度，CO的转化率反而减小，故D错误；
E．分离出二甲醚，平衡向正反应方向移动，CO的转化率增大，故E正确；
故答案为：CE；
（5）浓度商Qc==1.86＜400，故反应向正反应方向进行，正反应速率大于逆反应速率，
故答案为：＞．
点评：本题考查较为综合，涉及反应速率、平衡常数、平衡移动、热化学方程式以及电化学等知识，题目难度中等，注意（5）中反应速率的判断．