Question

6．隨著人類對溫室效應和資源短缺等問題的重視，如何降低大氣中CO₂的含量及有效地開發利用CO₂，引起了各國的普遍重視．
（1）目前工業上有一種方法是用CO₂來生產燃料甲醇．為探究反應原理，現進行如下實驗，在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時放出熱量150kJ．
①寫出該反應的熱化學方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②從反應開始到平衡，氫氣的平均反應速率v（H₂）=0.225mol/（L•min）．
③該反應的平衡常數表達式為$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
④可以證明該反應已達到平衡狀態的是abc；
a．2個O-H鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵斷裂   
b．混合氣體平均相對分子質量不再改變
c．正反應速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反應速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min）    
d．密度保持不變
⑤下列措施中能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大的是CD．
A．升高溫度              B．充入He（g），使體系壓強增大
C．將H₂O（g）從體系中分離   D．再充入1mol CO₂和3mol H₂
（2）在載人航天器的生態系統中，不僅要求分離去除CO₂，還要求提供充足的O₂．某種電化學裝置可實現如下轉化：2CO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2CO+O₂，CO可用作燃料．已知該反應的陽極反應為：4OH^--4e^-═O₂↑+2H₂O則陰極反應式為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-．有人提出，可以設計反應2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0）來消除CO的污染．請你判斷是否可行并說出理由：不可行，該反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發進行．

Answer 1

分析 （1）①在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出熱量150kJ，生成1mol甲醇放熱=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，標注物質聚集狀態和對應反應焓變寫出熱化學方程式；
②由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，由方程式可知氫氣的濃度變化等于甲醇的濃度變化量3倍為2.25mol/L，根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（H₂）；
③化學平衡常數，是指在一定溫度下，可逆反應達到平衡時各生成物濃度的化學計量數次冪的乘積除以各反應物濃度的化學計量數次冪的乘積所得的比值；
④根據化學平衡狀態的特征解答，當反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度、百分含量不變，以及由此衍生的一些量也不發生變化，解題時要注意，選擇判斷的物理量，隨著反應的進行發生變化，當該物理量由變化到定值時，說明可逆反應到達平衡狀態；
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反應移動，注意不能增大二氧化碳或降低甲醇的量；
（2）陰極發生還原反應，CO₂被還原生成CO，總反應式減去陽極反應式得陰極反應式；根據△G的大小判斷反應能否進行．

解答 解：（1）①在體積恒為1L的密閉容器中，充入1mol CO₂和3mol H₂，一定條件下合成甲醇，測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時間變化如圖所示．達到平衡時生成甲醇0.75mol/L×1L=0.75mol，放出熱量150kJ，生成1mol甲醇放熱=$\frac{150KJ}{0.75mol}×1mol$=200KJ，熱化學方程式為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol，
故答案為：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-200kJ/mol；
②由圖可知，10min到達平衡，平衡時甲醇的濃度變化為0.75mol/L，由方程式CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O可知，氫氣的濃度變化等于甲醇的濃度變化量為0.75mol/L×3=2.25mol/L，故v（H₂）=$\frac{2.25mol}{10min}$=0.225mol/（L•min），故答案為：0.225mol/（L•min）；
③反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）的平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
④a．2個O-H鍵斷裂的同時，有3個H-H鍵斷裂，說明3mol氫氣消耗同時1mol水消耗，正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態，故a正確； 
b．反應前后氣體質量不變，氣體物質的量變化，當混合氣體平均相對分子質量不再改變，說明反應達到平衡狀態，故b正確；
c．反應速率之比等于化學方程式計量數之比，為正反應速率之比，正反應速率v（H₂）=0.6mol/（L•min），逆反應速率v（CO₂）=0.2mol/（L•min），說明二氧化碳的正逆反應速率相同，反應達到平衡狀態，故c正確；    
d．反應前后氣體質量和體積不變，密度始終保持不變，不能說明反應達到平衡狀態，故d錯誤；
故答案為：a、b、c；    
⑤能使$\frac{n（C{H}_{3}OH）}{n（C{O}_{2}）}$增大，使平衡向正反應移動，則．
A．該反應正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應移動，比值減小，故A錯誤；
B．充入He（g），使體系壓強增大，容器的容積不變，反應混合物的濃度不變，平衡不移動，比值不變，故B錯誤；
C．將H₂O（g）從體系中分離，平衡向正反應移動，比值增大，故C正確；
D．再充入1mol CO₂和3mol H₂，等效為增大壓強，平衡向正反應移動，比值增大，故D正確；
故答案為：CD；
（2）總反應式為2CO₂=2CO+O₂，陽極反應為4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，總反應式減去陽極反應式得陰極反應式，所以陰極反應為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-，反應2CO=2C+O₂（△H＞0、△S＜0），則△G=△H-T•△S＞0，反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發進行；
故答案為：2CO₂+4e^-+2H₂O=2CO+4OH^-；不可行，該反應是一個焓增、熵減的反應，任何情況下不能自發進行．

點評 本題考查反應速率計算、化學平衡的影響因素、平衡常數等，題目難度中等，注意基礎知識的掌握，把握圖象的分析是解答的關鍵．