Question

联合国气候变化大会2009年12月7日在丹麦首都哥本哈根拉开帷幕，降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇，298.15K时，CO₂、H₂、与CH₃OH、H₂O的平均能量与合成甲醇反应的活化能的曲线图如图1所示，据图回答问题：

（1）写出合成甲醇反应的热化学方程式

 

；
（2）在图中曲线

 

（填“a”或“b”）表示加入催化剂的能量变化曲线．
（3）在体积为l L的密闭容器中，充入lmolCO₂和3molH₂，测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图2所示．
①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=

 

mol/（L?min）．
②该反应的平衡常数为

 

，升高温度，K值

 

（填“增大”、“减小”或“不变”）．
③下列措施中能使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大的是

 

．
A．升高温度              
B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离  
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（4）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：

 

．
有人提出，可以设计反应2CO═2C+O₂（△H＞0、△S＜0）来消除CO的污染．请你判断是否可行并说出理由：

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的影响因素,热化学方程式,化学电源新型电池

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据能量守恒计算出反应热，再根据热化学方程式的书写解答；
（2）使用催化剂改变反应历程，降低该反应的活化能，提高活化分子的百分数，化学反应速率加快，不影响反应热；
（3）①根据图表用三段式解题法计算出平衡时反应混合物各组分的浓度，根据v=

△c

△t

计算v（H₂）；
②代入该反应的平衡常数为k=

[H2O]?[CH3OH]

[CO2]?[H2]3

计算平衡常数，正反应放热，升温时平衡逆向移动，K减小；
③在反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，只要使平衡正向移动，且甲醇增多、二氧化碳减少即可；
（4）阴极发生还原反应，CO₂被还原生成CO，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式；根据△G的大小判断反应能否进行．

解答： 解：（1）由图可知，反应热△H=-（n-m） kJ?mol^-1，热化学反应方程式为CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-（n-m） kJ?mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-（n-m） kJ?mol^-1；
（2）催化剂改变反应历程，降低该反应的活化能，反应热取决于反应物与生成物的总能量，与途径无关，不影响反应热，所以b线表示使用催化剂；催化剂改变反应历程，降低该反应的活化能，提高活化分子的百分数，化学反应速率加快，
故答案为：b；
（3）①利用三段式解题法计算
             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
从反应开始到平衡，甲醇的平均反应速率v（CH₃OH）=

0.75mol/L

10min

=0.075 mol?L^-1?min^-1，反应速率之比等于化学计量数之比，v（H₂）=3×0.075mol/（L?min）=0.225mol/（L?min），故答案为：0.225mol/（L?min）；
②平衡常数为k=

[H2O]?[CH3OH]

[CO2]?[H2]3

=

16

3

=5.33；正反应放热，升温时平衡逆向移动，K减小，故答案为：5.33；减小；
③在反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）中，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，只要使平衡正向移动，且甲醇增多、二氧化碳减少即可，
A、升高温度，平衡向吸热的逆向移动，使

n(CH3OH)

n(CO2)

减小，故A错误；
B、充入He（g），使体系压强增大，各气体分压不变，平衡不移动，故B错误；
C、将水从体系中分离，平衡正向移动且使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，故C正确；
D、再充入1mol CO₂和3mol H₂，导致容器中压强增大，平衡正向移动，使

n(CH3OH)

n(CO2)

增大，故D正确；
故选CD；
（4）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^-，反应2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0），则△G=△H-T?△S＞0，反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行；
故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，该反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行．

点评：本题考查较为综合，涉及反应速率、平衡常数、平衡移动以及电化学等知识，题目难度中等，注意把握影响平衡移动的因素以及平衡移动方向的判断．