Question

随着能源与环境问题越来越被人们关注，碳一化学（C1化学）成为研究的热点．“碳一化学”即以单质碳及CO、CO₂、CH₄、CH₃OH等含一个碳原子的物质为原料合成工业产品的化学与工艺．
（1）将CO₂转化成有机物可有效实现碳循环．CO₂转化成有机物的例子很多，如：
a．6CO₂+6H₂O

太阳光  .

C₆H₁₂O₆
b．CO₂=3H₂

催化剂

△

CH₃OH+H₂O
c．CO₂+CH₄

催化剂

△

CH₃COOHd．2CO₂+6H₂

催化剂

△

CH₂=CH₂+4H₂
在以上属于人工转化的反应中，原子利用率最高的是

 

（填序号）．
（2）CO可用于合成甲醇．在压强0.1MPa条件下，在体积为bL的密闭容器中充入amolCO和2amolH₂，在催化剂作用下合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．平衡时CO的转化率与温度、压强的关系如图．
①该反应属于

 

反应（填“吸热”或“放热”）．若一个可逆反应的平衡常数K值很大，对此反应的说法正确的是

 

（填序号）．
a．反应使用催化剂意义不大
b．该反应发生将在很短时间内完成
c．该反应达到平衡时至少有一种反应物百分含量很小
d．该反应一定是放热反应
②100℃时，该反应的平衡常数K=

 

（用a，b的代数式表示）．
（3）二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世纪的新型燃料，也可替代氟利昂作制冷剂等，对臭氧层无破坏作用．工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚．
①工业上利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下：
a．2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.8kJ．mol^-1
b．2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ．mol^-
c．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.3kJ．mol
总反应：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

 

．
②对于反应b，在温度和容积不变的条件下，能说明该反应已达到平衡状态的是

 

（填字母）．
a．n（CH₃OH）=n（CH₃OCH₃）=n（H₂O）
b．容器内压强保持不变
c．H₂O（g）的浓度保持不变
d．CH₃OH的消耗速率与CH₃OCH₃的消耗速率之比为2：1
（4）以KOH溶液为电解质，用二甲醚-空气组成燃料，其中负极的电极反应式为

 

．
（5）C1化合物在治理汽车尾气方面也大有可为，如CO、CH₄等在一定条件下均可以与氮氧化物生成无污染的物质．写出CO与氮氧化物（NO_x）在有催化剂的条件下反应的化学方程式

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的计算,化学平衡建立的过程,化学平衡的影响因素

专题：化学平衡专题

分析：（1）原子利用率最高的是把所有的反应物全部转化为产物；
（2）①由图可知，压强一定时，随温度升高，CO的转化率降低，故升高温度平衡向逆反应移动，据此判断；②
利用三段式计算出平衡时各组分的物质的量，进而求出平衡时各组分的浓度，代入平衡常数计算；
（3）①利用盖斯定律计算；
②当化学反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度不再发生变化，由此衍生的一些物理性不变，以此解答该题；
（4）燃料电池中，负极上失电子发生氧化反应，注意介质的参与；
（5）氮氧化物和一氧化碳反应生成氮气和二氧化碳，根据化合价升降相等配平．

解答： 解：（1）a、CO₂转化为C₆H₁₂O₆之外还有氧气产生，故a错误；
b、CO₂转化为CH₃OH有水产生，故b错误；
c、CO₂和CH₄反应全部转化为剂CH₃COOH，故c正确；
d、CO₂和H₂反应生成乙烯之外还有水的生成，故d错误；
故选c；
（2）①由图可知，压强一定时，随温度升高，CO的转化率降低，故升高温度平衡向逆反应移动，则正反应为放热反应；
a．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该反应在通常条件下一定可以发生，该反应可能需要催化剂才可以进行，故a错误；
b．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该条件下反应速率很快，故b错误；
c．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，反应达平衡时至少有一种反应物的百分含量很小，故c正确；
d．可逆反应的平衡常数很大，说明反应进行的程度很大，不能说明该反应是吸热还是放热，故d错误，
故答案为：放热；c；
②100℃，平衡时CO的转化率为0.5，所以参加反应的CO的物质的量为0.5amol．
            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；
开始（mol）：a       2a         0
变化（mol）：0.5a    a         0.5a
平衡（mol）：0.5a    a          0.5a
平衡（mol/L）

0.5a

b

   

a

b

        

0.5a

b

100℃时该反应的平衡常数k=

0.5a b

0.5a b ×( a b )2

=

b2

a2

，故答案为：

b2

a2

；
（3）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
由盖斯定律可知，通过①×2+②+③可得所求反应方程式，则△H=-90.8kJ?mol^-1×2-23.5kJ?mol^-1-41.3kJ?mol^-1=-246.4kJ?mol^-1；
故答案为：-246.4kJ?mol^-1；
②a．达到平衡时，物质的量不变，不是相等，故a错误；
b．该反应是一个反应前后气体体积不变的反应，无论该反应是否达到平衡状态，压强始终不变，所以不能根据平衡体系的总压判断是否达到平衡状态，故b错误；
c．平衡时各物质的浓度不变，故c正确；
d．CH₃OH的消耗速率与CH₃OCH₃的消耗速率之比为2：1，符合正逆反应速率相等，故d正确；
故选cd；
（4）二甲醚失电子发生氧化反应，二甲醚生成的二氧化碳会和氢氧根离子反应生成碳酸根离子，
所以该电池中负极上的电极反应式为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（5）氮氧化物和一氧化碳反应生成氮气和二氧化碳，根据氮元素化合价变化，配平反应的方程式，反应的化学方程式为：2xCO+2NO_x

催化剂  .

2xCO₂+N₂，
故答案为：2xCO+2NO_x

催化剂  .

2xCO₂+N₂．

点评：本题考查化学平衡图象、化学平衡有关计算、化学平衡常数、影响化学平衡的因素、热化学方程式书写、电极反应式的书写等，是对知识的综合运用，难度中等．