Question

3．如图1，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：

（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1molCH₃OH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E₁=8.2kJ•mol^-1，则E₂=198.8kJ•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		25%	3
3	900	a	b	c		t

①该反应的△H＜0（填“＜”或“＞”）．
②实验2条件下的平衡常数K=$\frac{1}{3}$．
③实验3中，若平衡时H₂O的转化率为25%，则$\frac{a}{b}$=0.5．
④实验4，若900℃时，在容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂各1mol，则此时V_正＜V_逆（填“＜”或“＞”或“=”）．
（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）反应热等于反应物总键能减去生成物的总键能，而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），可知该反应的反应热△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，由此分析解答；
（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{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$
平衡量（mol） $\frac{3}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$此时平衡常数K=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{1}{2}}{\frac{3}{2}×\frac{1}{2}}$=$\frac{1}{3}$，而 $\frac{8}{3}$＞$\frac{1}{3}$，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，由此分析解答；
②根据以上分析可知实验2条件下的平衡常数K=$\frac{1}{3}$；
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 $\frac{1}{4}$，则b=4c，
又因为 $\frac{c×c}{（a-c）（b-c）}$=$\frac{1}{3}$，
解得b=2a，由此分析解答；
④实验4，若900℃时，在容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂各1mol，所以Qc=1=K；
（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当往溶液中加入一定量的酸时碳酸钠结合氢离子而加碱时碳酸氢根离子与氢氧根离子反应，所以溶液的酸碱性基本不变．

解答 解：（1）反应热等于反应物总键能减去生成物的总键能，而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），可知该反应的反应热△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E₂=E₁-△H=8.2kJ•mol^-1+181.6kJ•mol^-1=189.8kJ•mol^-1，
故答案为：189.8；
（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{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$                            
平衡量（mol）$\frac{3}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$$\frac{1}{2}$此时平衡常数K=$\frac{\frac{1}{2}×\frac{1}{2}}{\frac{3}{2}×\frac{1}{2}}$=$\frac{1}{3}$，而 $\frac{8}{3}$＞$\frac{1}{3}$，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，即正反应是放热反应，则该反应的△H＜0，
故答案为：＜；
②根据以上分析可知实验2条件下的平衡常数K=$\frac{1}{3}$，
故答案为：$\frac{1}{3}$；
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$\frac{1}{4}$，则b=4c，
又因为$\frac{c×c}{（a-c）（b-c）}$，
解得b=2a，即$\frac{a}{b}$=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，则此时浓度熵Qc=1＞K，因此反应逆向进行，则V_正＜V_逆，
故答案为：＜；
（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当往溶液中加入一定量的酸时碳酸钠结合氢离子而加碱时碳酸氢根离子与氢氧根离子反应，所以溶液的酸碱性基本不变，
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．