Question

6．二氧化碳的捕集、利用与封存（CCUS）是我国能源领域的一个重要战略方向，CCUS或许发展成一项重要的新兴产业．利用废气中的 CO₂为原料可制取甲醇，在恒容密闭容器中，一定条件下发生反应：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）．
（1）对于气相反应，用某组分B平衡时的分压 p（B）代替物质的量浓度 c（B）也可表示平衡常数，记作 KP，则该反应的平衡常数表达式为K_P=$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$．
（2）若将等物质的量的CO₂和H₂混合反应气充入恒温恒容密闭容器中，一定条件下反应达到平衡，下列事实能说明反应已达到平衡状态的是BD．
A．容器内气体密度保持不变
B．混合气体的平均相对分子质量不变作用下反应相同时间后，CO₂
C．该反应的平衡常数保持不变
D．CO₂ 体积分数保持不变
（3）其他条件相同，该甲醇合成反应在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ） 的转化率随反应温度变化如图1．
①a点所代表的状态不是（填“是”或“不是”）平衡状态；
②c点CO₂的转化率高于b点，原因是b、c点都未达到平衡状态，c点温度高，反应速率快，二氧化碳的转化率较大．
（4）科学家用氮化镓材料与铜组装成图2的人工光合系统，利用该装置成功地实现了以 CO₂和 H₂O合成CH₄．
①该装置中铜电极是正 极，写出该电极表面的电极反 应式：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②为提高该人工光合系统的工作效率，可向装置中加入少量硫酸（选填“盐酸”或“硫酸”）．

Answer 1

分析 （1）对于气相反应，用某组分B平衡时的分压p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数等于生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积；
（2）根据化学平衡状态的特征解答，当反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各物质的浓度、百分含量不变，以及由此衍生的一些量也不发生变化，解题时要注意，选择判断的物理量，随着反应的进行发生变化，当该物理量由变化到定值时，说明可逆反应到达平衡状态；
（3）①催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡；
②b、c点均未达到平衡状态，升高温度，化学反应速率加快，CO₂的转化率较大；
（4）①由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷；
②根据酸的挥发性分析．

解答 解：（1）CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），对于气相反应，用某组分B平衡时的分压p（B）代替物质的量浓度c（B）也可表示平衡常数等于生成物平衡分压幂次方乘积除以反应物平衡分压幂次方乘积，平衡常数为：K_P=$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
故答案为：$\frac{P（CH{\;}_{3}OH）P（H{\;}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）P（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}$；
（2）A、反应前后质量和体积一直不变，所以密度一直不变，不能判断平衡，故A错误；
B、反应前后质量不变，但物质的量在变，所以平均相对分子质量保持不变，说明反应达平衡状态，故B正确；
C、平衡常数仅与温度有关，温度一定，平衡常数不变，所以平衡常数保持不变不能判断平衡，故C错误；
D、CO₂ 体积分数保持不变，说明正逆反应速率相等，则反应达平衡状态，故D正确；
故选BD；
（3）①催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡，所以最终不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CO₂的转化率相同，故a点所代表的状态不是平衡状态，故答案为：不是；
②b、c点均未达到平衡状态，c点温度比b点高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大；
故答案为：b、c点都未达到平衡状态，c点温度高，反应速率快，二氧化碳的转化率较大；
（4）①由电池装置图可知，Cu上二氧化碳得电子生成甲烷，则Cu为正极，电极上的电极反应为：CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O，故答案为：正；CO₂+8e^-+8H⁺=CH₄+2H₂O；
②可向装置中加入少量的酸作电解质，由于盐酸易挥发，生成的甲烷中会混有HCl气体，所以选用硫酸，不用盐酸，故答案为：硫酸．

点评 本题考查了平衡常数的表达式、平衡状态的判断、电化学等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．