Question

4．增強環保意識．愛護環境是每個公民的職責．利用碳的氧化物合成甲醇等資源化利用對環境保護具有重要意義．請回答下列問題：
（1）溶于海水的CO₂有4種存在形式．其中HCO₃^-占95%，除上述兩種形式外，碳的存在形式還有H₂CO₃、CO₃^2- （填微粒符號）；利用圖1裝置進行的實驗中，a室的電極反應式為2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑．

（2）下列為合成甲醇的有關化學方程式
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）
③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
某溫度下，上述三個反應的平衡常數數值分別為2.5，2.0和K₃，則K₃值為5.0．
（3）一定條件下，甲醇可同時發生：
A．2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃+H₂O（g）
B．2CH₃OH（g）═C₂H₄（g）+2H₂O（g）．
上述反應過程中能量變化如圖2所示：
①寫出反應速率較大的序號并說明原因A；該反應的活化能較小，在相同條件下反應速率較大．
②若在容器中加入催化劑，則E₂-E₁將不變〔填“變大”、“不變”或“變小”〕．
（4）一定溫度時，容積相同的甲、乙、丙三個恒容密閉容器中，按不同方式投入反應物，發生反應2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90kJ/mol，測得達平衡時的有關數據如下表：

容器		甲	乙	丙
起始反應物投入量		2molH2（g） 1molCO（g）	1mol CH3OH（g）	2mol CH3OH（g）
平衡	c（CH3OH）/mol/•L-1	c1	c2	c3
	反應的能量變化/KJ	Q1	Q2	Q3

①表中數據存在的關系為：|Q₁|+|Q₂|=90（填＞、=或＜，下同）．2c₂＜c₃．
②在溫度不變、恒容條件下，該反應的平衡常數數值K_p=4.80×10^-2，若甲容器中反應達平衡狀態時，p（CH₃OH）=24.0kPa，則平衡時，混合氣體中CH₃OH的物質的量分數為61.5% （K_p是用平衡分壓代替平衡濃度所得的平衡常數，分壓=總壓×物質的量分數）．

Answer 1

分析 （1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸為弱酸，部分電離生成碳酸氫根；a室接電源的正極，為陽極，水失去電子生成氧氣和氫離子；
（2）將①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）與②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）兩方程式相加，即K₃=K₁×K₂；
（3）①如圖分析可知，反應的活化能越小反應速率越快；
②加入催化劑能降低反應的活化能，催化劑不改變反應物總能量與生成物總能量之差即反應熱不變；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效為在乙的基礎上增大壓強，生成1molCH₃OH的能量變化為90kJ，甲、乙平衡狀態相同，令平衡時甲醇為nmol，計算反應熱數值：甲、乙處于相同的平衡狀態，則：|Q₁|+|Q₂|=90kJ；比較乙、丙可知，丙中甲醇的物質的量為乙的2倍，壓強增大，對于反應CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移動；
②由2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反應物投入量2mol H₂、l mol CO，設開始時氫氣壓強為2P，CO壓強為P，列三段式，根據平衡常數Kp=4.80×10^-2，計算出平衡時的總壓，最后根據CH₃OH的物質的量分數為$\frac{分壓}{總壓}$進行計算．

解答 解：（1）二氧化碳溶于水生成碳酸，碳酸為弱酸，部分電離生成碳酸氫根；a室發生氧化反應：2H₂O-4e^-=4H⁺+O₂↑或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑，
故答案為：H₂CO₃、CO₃^2-；2H₂O-4e^-=O₂↑+4H⁺或4OH^--4e^-=2H₂O+O₂↑；
（2）將①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）與②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）兩方程式相加得：③3H₂（g）+CO₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），即K₃=K₁×K₂=2.5×2.0=5.0，
故答案為：5.0；
（3）①反應的活化能越小反應速率越快，在某密閉容器中，充人一定量CH₃OH（g）發生上述兩個反應中反應A和B相比，反應A的活化能小、反應速率快，
故答案為：A；該反應的活化能較小，在相同條件下反應速率較大；
②加入催化劑改變了反應的途徑，降低反應所需的活化能，所以E₁和E₂的變化是減小，催化劑不改變反應物總能量與生成物總能量之差即反應熱不變，E₂-E₁的大小為反應的焓變，活化能大小對該反應的反應熱無影響，
故答案：不變；
（4）①甲、乙是等效平衡，丙等效為在乙的基礎上增大壓強，生成1molCH₃OH的能量變化為90kJ，甲、乙平衡狀態相同，令平衡時甲醇為nmol，對于甲容器，|Q₁|═90n，等于乙容器|Q₂|=90（1-n），故|Q₁|+|Q₂|=90；
甲、乙處于相同的平衡狀態，比較乙、丙可知，丙中甲醇的物質的量為乙的2倍，壓強增大，對于反應CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），平衡向生成甲醇的方向移動，所以2c₂＜c₃，
故答案為：90；＜；
②由：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）起始反應物投入量2mol H₂、l mol CO，設開始時氫氣壓強為2P，CO壓強為P，
開始（kPa） 2P       P                  0
轉化（kPa）48.0     24.0           24.0
平衡（kPa）2P-48    P-24         24
Kp=$\frac{24}{（2p-48）^{2}×（p-24）}$=4.80×10^-2，解得P=29.0kPa，則平衡混合氣體中CH₃OH的物質的量分數為$\frac{分壓}{總壓}$=$\frac{24}{15+24}$×100%=61.5%，
故答案為：61.5%．

點評 本題考查化學平衡計算，為高頻考點，側重考查學生分析計算能力，明確各個物理量關系及變化是解本題關鍵，注意（4）題等效平衡構建，為易錯點及難點．平衡常數的相關計算，難度較大．