Question

3．减少工业和生活废弃物的排放并合理开发利用，近年来受到了人们的普遍关注．
I．利用工业废水中的CO₂制取甲醇，反应为CO₂+3H₂$\stackrel{催化剂}{?}$CH₃OH+H₂O．
（1）已知下列反应的能量变化如图1所示：

由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式为CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol．
II．利用工业废气CO合成甲醇，反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
（2）一定条件下，在1L密闭容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后达到平衡，CO的转化率为50%，则8min内H₂的平均反应速率为0.075mol/（L•min）．
（3）若反应原料是来自煤的气化，已知该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的热量．写出该反应的热化学方程式C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol．
（4）t℃时，能发生如下反应：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．已知反应平衡常数为400，此温度下，在1L密闭容器中加入-定量的甲醇，反应到某时刻测得各组分的物质的量浓度如表：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c（mol•L-1）	0.46	1.0	1.0

此刻正、逆反应速率的关系是：v（正）＞v（逆）（填“＞”“＜”或“=”），平衡时c（CH₃OCH3）的物质的量浓度是1.2mol/L．
（5）已知反应 3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），CO的平衡转化率a（CO）与温度、压强的关系如图2所示．图中X表示温度（填“温度”或“压强”），判断的理由是图中表明随着X增大，CO的平衡转化率减小；如果X表示压强，压强增大，平衡向正反应方向移动，CO的平衡转化率增大，不符合条件；如果X表示温度，温度升高，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，符合条件．．
（6）强酸性电解质溶液中，用惰性电极电解CO₂可转化为多种燃料，其原理如图3所示．b为电源的正极．电解时，生成乙烯的电极反应式为2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳和氢气制备甲醇的化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），根据图1和图2的能量变化，写出热化学方程式，所求反应可由此推导，根据盖斯定律计算所求反应的焓变；
（2）反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），一定条件下，在1L密闭容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后达到平衡，反应经历的时间为△t=8min，CO的转化率为50%，则CO的反应转化的物质的量为△n=0.6mol×50%=0.3mol，容器的体积为V=1L，则CO的化学反应平均速率为$\overline{r}$（CO）=$\frac{△n}{V△t}$，根据化学反应速率之比等于计量数之比，据此计算H₂的化学反应平均速率；
（3）若反应原料是来自煤的气化，已知该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，因此反应物为C（s）和H₂O（g），生成物为H₂（g）和CO（g），每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的热量，计算反应的焓变，由此写出反应的热化学方程式；
（4）t℃时，发生反应：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），已知反应平衡常数为400，此温度下，在1L密闭容器中加入一定量的甲醇，根据反应商J与平衡常数K的关系，判断此时化学反应的方向，据此分析正逆反应的速率大小，温度不变，平衡常数不变，据此计算平衡时的c（CH₃OCH₃）；
（5）反应为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反应为气体分子数减少的反应，增大压强，有利于平衡向正反应方向移动，CO的转化率升高，据此分析X的意义；
（6）强酸性电解质溶液中，用惰性电极电解CO₂，根据装置的原理图，b连接的电极处产生O₂，均是由-2价的O失电子而来，发生的是氧化反应，据此判断b连接的电极的性质，a连接的电极处由CO₂生成乙烯，此过程为得到电子的反应，H⁺通过质子交换膜到达a连接的极处参与电极反应，据此写出a连接的电极的电极反应式．

解答 解：（1）二氧化碳和氢气制备甲醇的化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），根据图1和图2的能量变化，可知：
①CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₁=-41kJ/mol，
②CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₂=-91kJ/mol，
该反应可由②-①得到，根据盖斯定律，该反应的焓变为△H=△H₂-△H₁=-91-（-41）=-50kJ/mol，
则由二氧化碳和氢气制备甲醇的热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol，
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50kJ/mol；
（2）反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），一定条件下，在1L密闭容器中充入0.6mol CO和1.4mol H₂，8min后达到平衡，反应经历的时间为△t=8min，CO的转化率为50%，则CO的反应转化的物质的量为△n=0.6mol×50%=0.3mol，容器的体积为V=1L，则CO的化学反应平均速率为$\overline{r}$（CO）=$\frac{△n}{V△t}$=$\frac{0.3mol}{1L×8min}$=$\frac{0.3}{8}$mol/（L•min），根据化学反应速率之比等于计量数之比，则H₂的化学反应平均速率为$\overline{r}（{H}_{2}）$=$\frac{0.3}{8}×$2=$\frac{0.3}{4}$mol/（L•min）=0.075mol/（L•min），
故答案为：0.075mol/（L•min）；
（3）若反应原料是来自煤的气化，已知该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，因此反应物为C（s）和H₂O（g），生成物为H₂（g）和CO（g），每生成1molH₂需要吸收131.3kJ的热量，则以1molH₂（g）反应，反应的焓变为△H=+131.3kJ/mol，所以该反应的热化学方程式为：C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol，
故答案为：C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ/mol；
（4）t℃时，发生反应：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），已知反应平衡常数为400，此温度下，在1L密闭容器中加入一定量的甲醇，根据表中数据，此时的反应商J=$\frac{1.0mol/L×1.0mol/L}{（0.46mol/L）^{2}}$=$\frac{1}{0.4{6}^{2}}$=4.72＜K，则此时化学反应向正反应方向进行，因此速率大小关系为：v（正）＞v（逆），
温度不变，平衡常数不变，设平衡时CH₃OH转化了2x，将其转化为等效平衡，则平衡时各组分的浓度为c（CH₃OH）=0.46-2x，c（CH₃OCH₃）=c（H₂O）=1+2x，则有K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$=$\frac{（1+x）（1+x）}{（0.46-2x）^{2}}$=400，可得x=0.2，因此平衡时c（CH₃OCH₃）=1+2x=1.2mol/L，
故答案为：＞；1.2mol/L；
（5）反应为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），反应为气体分子数减少的反应，增大压强，有利于平衡向正反应方向移动，CO的转化率升高，对于X，随着X的升高，CO的转化率降低，可见X不表示压强，应表示温度，判断的理由是：图中表明随着X增大，CO的平衡转化率减小；如果X表示压强，压强增大，平衡向正反应方向移动，CO的平衡转化率增大，不符合条件；如果X表示温度，温度升高，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，符合条件，
故答案为：温度；图中表明随着X增大，CO的平衡转化率减小；如果X表示压强，压强增大，平衡向正反应方向移动，CO的平衡转化率增大，不符合条件；如果X表示温度，温度升高，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，符合条件；
（6）强酸性电解质溶液中，用惰性电极电解CO₂，根据装置的原理图，b连接的电极处产生O₂，均是由-2价的O失电子而来，发生的是氧化反应，因此b连接的电极为电解池的阳极，则b为电源的正极，
a连接的电极处由CO₂生成乙烯，此过程为得到电子的反应，H⁺通过质子交换膜到达a连接的极处参与电极反应，则a连接的电极的电极反应式为：2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O，此电极产生乙烯，
故答案为：正；2CO₂+12H⁺+12e^-=C₂H₄+4H₂O．

点评 本题主要考察化学原理部分知识，包含热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，化学平衡的移动，反应商的计算，化学反应方向的判断，平衡常数的应用，电化学知识，涉及的知识点较多，考察综合能力，题目难度中等．