Question

20．碳及其化合物在生活、化工领域发挥着重要的作用．试回答下列问题：

（1）二甲醚（CH₃0CH₃）是无色气体，可作为一种新型能源．工业上可用CO₂和H₂反应合成
二甲醚：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H₀已知：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1
①△H=-130.8kJ．mol^-1
②下列能判断恒温恒容条件下合成二甲醚的反应已达到平衡的依据为bc（填字母）．
a．气体密度不变
b．压强不变
c．气体平均相对分子质量不变
d．反应前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，一段时间后测得容器中的比值不变
③上述合成二甲醚的反应在不同温度、不同投料比时，CO₂的平衡转化率如图1所示．T₁温度下，将6mol CO₂和12mol H₂充人2L的恒容密闭容器中，5min后反应达到平衡状态，则0～5min内的平均反应速率v（CH₃0CH₃）=0.18 mol/（L•min）；A、B、C三点对应平衡常数K_A、K_B．K_C之间的大小关系为K_A=K_C＞K_B．
（2）有科学家提出由CO₂制取C的太阳能工艺如图2所示，若重整系统发生的反应中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，则重整系统中发生反应的化学方程式为4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃
（3）以CO₂为原料利用电解法可制取乙烯，其装置如图3所示．电极a为电源的负极（填“正极”或“负极”），生成乙烯的电极反应式为2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O．
（4）常温下，用氨水吸收CO₂可得到NH₄HCO₃溶液．反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O-NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=1.25×10^-3．（已知常温下NH₃•H₂O的电离平衡常数K_b=2×l0^-5，H₂C0₃的电离平衡常数K₁=4×l0^-7）

Answer 1

分析 （1）①依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
②当一个量在反应未平衡的时候一直在变化，而后来不变了，则可以作为平衡的标志，据此分析；
③T₁温度下，将6molCO₂和12molH₂充入2L的密闭容器中，由图象可知，5min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH₃OCH₃0为6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，根据平均反应速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{△c}{△t}$；根据平衡常数仅与温度有关，温度不变，平衡常数不变，在相同投料比时，T₁温度下二氧化碳转化率大，所以T₁温度下较T₂温度下正向进行程度大．
（2）根据由CO₂制取C的太阳能工艺图示可知，CO₂被FeO还原为C，则FeO将被氧化，根据重整系统发生的反应中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4写出化学方程式；
（3）电极a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素发生了还原反应，据此分析；根据化合价的变化结合溶液呈酸性来写出电极方程式；
（4）反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的电离平衡常数表达式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的电离平衡常数K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，从而可得出平衡常数间的关系，据此分析．

解答 解：（1）①已知反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-53.7kJ．mol^-1 I
CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）?2CH₃OH（g）△H₂=+23.4kJ．mol^-1 II
将I×2-II可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）△H=（-53.7kJ．mol^-1）×2-（+23.4kJ．mol^-1）=-130.8 kJ．mol^-1，故答案为：-130.8 kJ．mol^-1；
②对于反应：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O （g）
a．由于是恒容的容器，容器体积V一直不变，而此反应全部是气体参加和生成，故气体的质量一直不变，则气体的密度无论反应有没有达到平衡都一直不变，故不能作为反应达平衡的标志，故a错误；
b．由于容器恒容，而此反应正反应方向是气体的物质的量减小的反应，故反应在平衡之前，容器内的压强在变小，故当压强不变时，说明反应达平衡，故b正确；
c．此反应全部是气体参加和生成，故气体的质量一直不变，而正反应方向是气体的物质的量减小的反应，故平衡之前，气体平均相对分子质量在变大，故当不变时，能说明反应达平衡，故c正确；
d．反应前n（C0₂）=2mol，n（H₂）=6mol，而根据物质的量的该变量等于计量数之比可知，△（C0₂）：△（H₂）=2：6，故无论反应是否达到平衡，n（C0₂）：n（H₂）恒等于2：6即1：3，故当比值不变时，不能说明反应达平衡，故d错误；
故选bc；
③T₁温度下，将6molCO₂和12molH₂充入2L的密闭容器中，由图象可知，5min后反应达到平衡状态时二氧化碳转化率为60%，则生成CH₃OCH₃0为6mol×60%×$\frac{1}{2}$=1.8mol，所以平均反应速率v（CH₃OCH₃）=$\frac{\frac{1.8mol}{2L}}{5min}$=0.18 mol/（L•min）；
平衡常数仅与温度有关，温度不变，平衡常数不变，所以K_A=K_C，在相同投料比时，T₁温度下二氧化碳转化率大，所以T₁温度下正向进行程度故T₂温度大，则K_A=K_C＞K_B，
故答案为：0.18 mol/（L•min）；K_A=K_C＞K_B．
（2）由CO₂制取C的太阳能工艺图示可知，CO₂被FeO还原为C，则FeO将被氧化，根据重整系统发生的反应中$\frac{n（FeO）}{n（C{O}_{2}）}$=4，结合得失电子数守恒和质量守恒可知反应为：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃，故答案为：4FeO+CO₂$\frac{\underline{\;700K\;}}{\;}$C+2Fe₂O₃；
（3）电极a上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素发生了还原反应，故电极a为阴极，则所连的是电源的负极；此电极上通入CO₂，生成C₂H₄，碳元素的化合价由+4价变为-2价，结合溶液呈酸性可知极方程式为：2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O，故答案为：负极；2CO₂+12e^-+12H⁺=C₂H₄+4H₂O；
（4）反应NH₄⁺+HCO₃^-+H₂O=NH₃•H₂O+H₂CO₃的平衡常数K=$\frac{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）•c（{H}_{2}C{O}_{3}）}{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（HC{{O}_{3}}^{-}）}$，而NH₃•H₂O的电离平衡常数表达式K_b=$\frac{c（N{{H}_{4}}^{+}）•c（O{H}^{-}）}{c（N{H}_{3}•{H}_{2}O）}$，H₂C0₃的电离平衡常数K₁=$\frac{c（HC{{O}_{3}}^{-}）•c（{H}^{+}）}{c（{H}_{2}C{O}_{3}）}$，从而可得出平衡常数间的关系K=$\frac{Kw}{{K}_{b}•{K}_{1}}$=$\frac{1{0}^{-14}}{2×1{0}^{-5}×4×1{0}^{-7}}$=1.25×10^-3，故答案为：1.25×10^-3．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、反应达平衡的判断以及平衡常数的有关计算等问题，综合性较强，是高考的常见题型，难度较大．