Question

13．随着人类对温室效应和资源短缺等问题的重视，如何降低大气中CO₂的含量及有效地开发利用CO₂，引起了各国的普遍重视．
（1）目前工业上有一种方法是用CO₂来生产燃料甲醇．为探究反应原理，现进行如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定条件下发生反应：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ/mol
测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如图所示

①从反应开始到平衡，氢气的平均反应速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）mol/（L•min）．
②该反应的平衡常数表达式为K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
③下列措施中能使n（CH₃OH）/n（CO₂）增大的是CD．
A．升高温度                  B．充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂O（g）从体系中分离     D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（2）在载人航天器的生态系统中，不仅要求分离去除CO₂，还要求提供充足的O₂．某种电化学装置可实现如下转化：2CO₂=2CO+O₂，CO可用作燃料．
已知该反应的阳极反应为：4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O
则阴极反应式为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2 CO+4OH^-．
有人提出，可以设计反应2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0）来消除CO的污染．请你判断是否可行并说出理由：不可行，该反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行．

Answer 1

分析 （1）①由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式可知氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量3倍为2.25mol/L，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
②化学平衡常数，是指在一定温度下，可逆反应达到平衡时各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值；
③能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反应移动，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；
（2）阴极发生还原反应，CO₂被还原生成CO，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式；根据△H-T△H＜0来判断反应的自发性．

解答 解：（1）①由图可知，10min到达平衡，平衡时甲醇的浓度变化为0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氢气的浓度变化等于甲醇的浓度变化量为0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol/L}{10min}$=0.225mol/（L•min），故答案为：0.225mol/（L•min）；
②反应CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案为：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
③能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{c（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反应移动，则
A．该反应正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应移动，比值减小，故A错误；
B．充入He（g），使体系压强增大，容器的容积不变，反应混合物的浓度不变，平衡不移动，比值不变，故B错误；
C．将H₂O（g）从体系中分离，平衡向正反应移动，比值增大，故C正确；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效为增大压强，平衡向正反应移动，比值增大，故D正确；
故答案为：CD．
（2）总反应式为2CO₂=2CO+O₂，阳极反应为4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，总反应式减去阳极反应式得阴极反应式，所以阴极反应为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0）是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行，所以无法消除CO的污染，故答案为：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，该反应是一个焓增、熵减的反应，任何情况下不能自发进行．

点评 本题考查反应速率计算、化学平衡的影响因素、平衡常数等，题目难度中等，注意基础知识的掌握，把握图象的分析是解答的关键．