Question

6．CO₂的转换在生产、生活中具有重要的应用．
（1）CO₂的低碳转型对抵御气候变化具有重要意义，海洋是地球上碳元素最大的“吸收池”．
①溶于海水中的CO₂主要以四种无机碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃两种分子外，还有两种离子的化学式为HCO₃^-、CO₃^2-．
②在海洋碳循环中，可通过图1所示的途径固碳．写出钙化作用的离子方程式：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O．
（2）将CO₂与金属钠组合设计成Na-CO₂电池，很容易实现可逆的充、放电反应，该电池反应为4Na+3CO₂ $?_{放电}^{放电}$2Na₂CO₃+C．放电时，在正极得电子的物质为CO₂；充电时，阳极的反应式为C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂．
（3）目前工业上有一种方法是用CO₂和H₂在230℃并有催化剂条件下转化生成甲醇蒸汽和水蒸气．图2表示恒压容器中0.5molCO₂和1.5mol H₂转化率达80%时的能量变化示意图．能判断该反应达到化学平衡状态的依据B、D（填字母）．

A．容器中压强不变         B．H₂的体积分数不变
C．c（H₂=3c（CH₃OH）        D．容器中密度不变
E．2个C=O断裂的同时有6个H-H断裂
（4）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，进行反应CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），得到如表三组数据：

实验组	温度/℃	起始量/mol		平衡量/mol		达到平衡所 需时间/min
		CO	H2O	H2	CO
1	650	4	2	1.6	2.4	6
2	900	2	1	0.4	1.6	3
3	900	a	b	c	d	t

①实验2条件下平衡常数K=$\frac{1}{6}$．
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，则a/b的值＜1    （填具体值或取值范围）．
③实验4，若900℃时，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol，则此时v（正＜v（逆）（填“＜”、“＞”或“=“）．
（5）已知在常温常压下：
①2CH₃OH（I）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（I）△H=-44.0kJ•mol^-1
写出甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）①溶于海水中的CO₂主要以四种无机碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃两种分子外，还有两种离子，分别为CO₃^2-和HCO₃^-；
②根据图1的转化方式分析，钙化作用过程中，HCO₃^-通过钙化作用生成CaCO₃，可知Ca²⁺与HCO₃^-在此反应中生成CaCO₃，据此写出反应的离子方程式；
（2）电池反应为：4Na+3CO₂ $?_{放电}^{放电}$2Na₂CO₃+C，放电池，为原电池反应，原电池中正极物质得电子，发生还原反应，据此判断，充电时，为电解池反应，阳极为物质失去电子，发生氧化反应，结合总反应式分析，据此写出阳极的电极反应方程式；
（3）CO₂和H₂在230℃并有催化剂条件下转化生成甲醇蒸汽和水蒸气，反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{230℃}$CH₃OH（g）+H₂O（g），反应为气体数减少的反应，增大压强有利于反应正向进行，根据能量变化图，反应物能量高于生成物，则反应为放热反应，降低温度有利于反应正向进行，据此逐项分析判断化学反应达到平衡的标志；
（4）①反应为CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反应的化学平衡常数为K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$，根据实验2的数据，结合化学反应方程式计算平衡时各组分的物质的量浓度，代入平衡常数的表达式计算；
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，CO和水蒸气是按1：1反应进行的，增大其中一种反应物的量可以增大另一反应物的平衡转化率，据此分析；
③温度不变，平衡常数不变，根据此时的反应商J和平衡常数K的关系，判断化学反应进行的方向，分析化学反应正逆速率的大小关系；
（5）甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），该反应可由已知焓变的热化学方程式推导，根据盖斯定律计算该反应的焓变．

解答 解：（1）①溶于海水中的CO₂主要以四种无机碳形式存在，除CO₂、H₂CO₃两种分子外，还有两种离子，分别为CO₃^2-和HCO₃^-，
故答案为：HCO₃^-；CO₃^2-；
②根据图1的转化方式分析，钙化作用过程中，HCO₃^-通过钙化作用生成CaCO₃，可知Ca²⁺与HCO₃^-在此反应中生成CaCO₃，则反应的离子方程式为：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O，
故答案为：Ca²⁺+2HCO₃^-═CaCO₃↓+CO₂↑+H₂O；
（2）电池反应为：4Na+3CO₂ $?_{放电}^{放电}$2Na₂CO₃+C，放电池，为原电池反应，原电池中正极物质得电子，发生还原反应，则放电时，在正极得电子的物质为CO₂，
充电时，为电解池反应，阳极为物质失去电子，发生氧化反应，根据总反应方程式，应为C失去电子，变成CO₂，则充电时，阳极的反应式为：C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂，
故答案为：CO₂；C-4e^-+2CO₃^2-═3CO₂；
（3）CO₂和H₂在230℃并有催化剂条件下转化生成甲醇蒸汽和水蒸气，反应方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）$?_{催化剂}^{230℃}$CH₃OH（g）+H₂O（g），反应为气体数减少的反应，增大压强有利于反应正向进行，根据能量变化图，反应物能量高于生成物，则反应为放热反应，降低温度有利于反应正向进行，
A．反应在恒压装置中反应，整个反应过程体系压强一直不变，不能根据压强判断化学反应是否达到平衡，故A不选；
B．随着反应的进行，各组分的体积分数会改变，当H₂的体积分数不变时，可以判断化学反应是否达到平衡，故B选；
C．平衡时，不一定具有关系c（H₂）=3c（CH₃OH），需根据具体的反应的初始的量来判断，不可以判断化学反应是否达到平衡，故C不选；
D．容器中混合气体的密度为$ρ=\frac{m}{V}$，反应前后，根据质量守恒，m不变，反应为恒压装置，随着反应的进行，气体总体积会发生改变，当气体总体积不变，也就是密度不变时，可以判断化学反应是否达到平衡，故D选；
E.2个C=O断裂的同时有6个H-H断裂表明反应物CO₂和H₂均在参加反应，反应向正反应方向进行，不一定是化学反应已经达到平衡，不可以判断化学反应是否达到平衡，故E不选，
故选BD；
（4））①反应为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），反应的化学平衡常数为K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$，根据实验2的数据，则平衡时，c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$=0.8mol/L，c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（H₂O）=$\frac{1mol-0.4mol}{2L}$=0.3mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L，则反应的平衡常数为K=$\frac{0.2mol/L×0.2mol/L}{0.3mol/L×0.8mol/L}$=$\frac{1}{6}$，
故答案为：$\frac{1}{6}$；
②实验3中，若平衡时，CO的转化率大于水蒸气，CO和水蒸气是按1：1反应进行的，增大其中一种反应物的量可以增大另一反应物的平衡转化率，所以可判断是增大了水蒸气的量，则$\frac{a}{b}$＜1，
故答案为：＜；
③温度不变，平衡常数不变，根据实验2，900℃时，体系中平衡时各组分的浓度为：c（CO）=$\frac{1.6mol}{2L}$═0.8mol/L，c（H₂O）=$\frac{2mol-1.6mol}{2L}$=0.2mol/L，c（H₂）=$\frac{0.4mol}{2L}$=0.2mol/L，c（CO₂）=0.2mol/L，则反应的化学平衡常数为K=$\frac{c（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（CO）}$=$\frac{1}{4}$，在此容器中加入CO、H₂O、CO₂、H₂均为1mol，则起始浓度为：c（CO）=c（H₂O）=c（CO₂）=c（H₂）=0.5mol/L，反应商为J=$\frac{0.5mol/L×0.5mol/L}{0.5mol/L×0.5mol/L}$=1＞K，则反应向逆反应方向移动，v（正）＜v（逆），
故答案为：＜；
（5）已知：①2CH₃OH（I）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H₁=-1275.6kJ/mol，
                  ②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566.0kJ/mol，
                  ③H₂O（g）=H₂O（l）△H₃=-44.0kJ/mol，
甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的化学方程式为：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l），该反应可由$\frac{①-②}{2}+③×2$得到，根据盖斯定律，该反应的焓变为△H=$\frac{△{H}_{1}-△{H}_{2}}{2}+2△{H}_{3}$=-442.8kJ/mol，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ/mol．

点评 本题主要化学原理知识，包含离子方程式的书写和配平，电极反应式的书写，原电池和电解池的原理，化学平衡的移动，化学平衡常数的计算和简单应用，热化学方程式的书写和盖斯定律的应用，涉及的知识点较多，考查综合能力，题目难度中等．